Физическая модель трансформатора тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля

УДК 621.314

С.А. Бычков, В.В. Шкоркин

Физическая модель трансформатора тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля

Для расчета поля рассеяния силовых трансформаторов тороидальной конструкции, используемых в импульсных источниках вторичного электропитания, предложена модель в виде двух эквивалентных витков с током.

Ключевые слова: источники вторичного электропитания, рациональная компоновка, угловое распределение напряженности поля, расчет поля рассеяния тороидального трансформатора.

Постановка задачи. Совершенствование частотных свойств полупроводниковых приборов сопровождается ростом скоростей нарастания/спада токов и напряжений, что ведет к снижению электромагнитной совместимости электромагнитных элементов (дросселей и трансформаторов) с питающей сетью, нагрузкой и собственной цифровой системой управления. Магнитное поле в ближней зоне, создаваемое силовыми трансформаторами и дросселями, представляет собой поле рассеяния, которое является источником помех.

В настоящее время требования к приборам по помехоэмиссии ужесточаются. Обеспечение защиты в источниках вторичного электропитания с повышением быстродействия и плотности компоновки элементов от помех становится важнейшей задачей конструирования. В данной статье предложена формула для расчета поля рассеяния трансформатора тороидальной конструкции на этапе проектирования.

Физическая модель трансформатора. Известна физическая модель дросселя тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля, где обмотка заменена эквивалентным витком с током [1].

Продолжая исследования в данном направлении, авторы провели измерения углового распределения напряженности магнитного поля трансформаторов тороидальной конструкции. Для расчета значения напряженности поля, создаваемого трансформатором, предложено заменить каждую обмотку своим «магнитным диполем» (рис. 1) с моментами рт1 = 11 и рт2 = 12 Бк, где 11 и 12 - токи, протекающие через первичную и вторичную обмотки соответственно, А; - площадь контура, ог-

раниченная средней длиной сердечника, м2.

Рис. 1. Замена двухобмоточного трансформатора тороидальной конструкции двумя

эквивалентными витками

Формула для расчета поля рассеяния трансформатора тороидальной конструкции имеет вид

н (І! +12 ) ,

2пг3

где Н - напряженность поля, А/м; Іі, І2 - действующее значение пульсирующей составляющей тока

первичной и вторичной обмотки соответственно, А; 5к = 12с.ср/4п - площадь, ограниченная сред-

2

ней линией сердечника, м ; г - расстояние от контура до измерительной антенны, м.

Экспериментальная проверка. Для оценки адекватности предложенной модели трансформатора тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля проведена экспериментальная проверка (рис. 2).

Три рамки одинаковой площадью Sк = 2-10-4 м располагались в одной плоскости на минимальном расстоянии друг от друга. Через них протекали токи І1, І2, І3 синусоидальной формы. Расстояние до измерительной антенны П6-42 равнялось 0,3 м.

52

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Л'к Известно, что напряженность магнитно-

го поля по обе стороны от плоскости рамки в текущий момент времени имеет разные знаки, а в плоскости рамки происходит их компенсация.

В начале эксперимента провели измерение магнитного поля отдельно от каждой рамки, от двух и от трех рамок, включенных параллельно. Затем первую рамку включали встречно к двум другим (в табл. 1 действующее значение тока первой рамки показано со знаком «—»).

Рис. 2. Схема экспериментальной проверки,

где Я1= 8 Ом, Я2=24 Ом, Я3= 50 Ом

Таблица 1

Напряженность поля рассеяния трех рамок одинаковой площади

Действующее значение тока, А Значение напряженности поля, дБ

1 2 3 измеренное расчетное

0,650 — — 55,1 57,7

— 0,230 — 49,0 48,6

— — 0,107 41,9 42,0

— 0,228 0,107 53,1 52,0

0,646 — 0,102 59,4 58,9

0,633 0,217 0,100 59,3 61,0

— 0,630 0,217 0,101 52,2 51,5

— 0,231 0,106 52,5 52,0

— 0,646 0,220 — 56,0 54,1

— 0,650 — 0,104 59,3 56,2

Из результатов экспериментов можно сделать вывод, что при параллельном включении трех рамок в одной плоскости их магнитные поля складываются, а при встречном включении одной из них по отношению к другим происходит частичная их компенсация.

При условии равномерного распределения витков обмоток по периметру сердечника проведены расчет и измерение значения напряженности магнитного поля, создаваемого трансформаторами в схемах источников вторичного электропитания (табл. 2).

Таблица 2

Напряженность поля рассеяния силовых трансформаторов тороидальной конструкции

Схема источника вторичного электропитания Расстояние до антенны, м Типоразмер и количество сердечников Действующее значение тока, А Значение напряженности поля, дБ

первичная обмотка вторичная обмотка измеренное расчетное

Мостовая 0,5 МП160 К19х11х6,7; 2 шт. 0,930 0,434 54,1 49,0

0,5 МП140 К24х13х5,2; 1 шт. 1,440 0,300 58,5 54,43

0,5 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 1,050 0,438 54,0 53,0

0,5 Феррит К20х12х6; 1 шт. 0,494 0,480 44,0 47,0

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 1,500 1,180 66,3 64,0

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 1,320 0,485 65,0 60,5

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,590 0,695 63,0 57,6

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,700 0,690 63,0 58,3

Однотактная обратноходовая 0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,360 0,570 63,2 54,8

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,425 0,760 57,0 56,9

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,650 0,540 60,3 57,0

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт 0,563 0,563 62,0 56,5

0,4 МП140 К24х13х5,2; 2 шт. 0,356 0,530 55,5 54,4

Из экспериментов видно, что угловое распределение напряженности магнитного поля силового трансформатора тороидальной конструкции в азимутальной плоскости имеет форму «восьмерки» (рис. 3), как у магнитного диполя.

90

а б

Рис. 3. Поле рассеяния силового трансформатора в азимутальной плоскости (а) и условная система отсчета (б): 1 - экспериментальные данные; 2 - расчетные

Заключение. На основе проведенных исследований возможно сделать следующие выводы:

1. Физическую модель трансформатора тороидальной конструкции как излучателя магнитного поля можно представить соответствующим количеством рамок одинаковой площади 5к (по количе -ству обмоток) с действующим значением тока, протекающего через каждую обмотку.

2. По приведенной формуле можно рассчитать минимальную напряженность магнитного поля трансформатора тороидальной конструкции при условии равномерности намотки. Любые неоднородности и несимметричность намотки приводят к увеличению напряженности магнитного поля трансформатора, что негативно влияет на электромагнитную совместимость источника вторичного электропитания.

3. Угловое распределение напряженности магнитного поля силового трансформатора тороидальной конструкции в азимутальной плоскости имеет форму «восьмерки». Для снижения уровня помехоэмиссии в конструкциях источников электропитания располагать силовой трансформатор нужно таким образом, чтобы максимумы напряженности магнитного поля не были направлены на собственные восприимчивые элементы схемы.

Литература

1. Шкоркин В.В. Снижение помехоэмиссии силовых дросселей тороидальной конструкции / В.В. Шкоркин, Ю.М. Казанцев. - Изв. ТПУ - 2010. - Т. 316, № 4. - С. 107-110.

Бычков Сергей Алексеевич

Аспирант каф. промышленной электроники ТУСУРа,

инженер по испытаниям 3-й кат. ОАО «Научно-производственный центр «Полюс»

Тел.: 8 (382-2) 55-59-90

Эл. почта: polus@online.tomsk.net

Шкоркин Вячеслав Васильевич

Канд. техн. наук, начальник сектора ЭМС ОАО «Научно-производственный центр «Полюс»

Тел.: 8 (382-2) 55-59-90

Эл. почта: polus@online.tomsk.net

Bychkov S.A., Shkorkin V.V.

Physical model of the transformer toroidal structure as the magnetic field emitter

In the article we propose the model in the form of two equivalent coils with current in order to calculate the scattering field of the toroidal power transformer design used in pulsed sources of secondary power. Keywords: secondary power sources, rational layout, angular distribution of the field intensity, calculation of the scattering field of the toroidal transformer.