ФЕРРОМАГНИТНЫЙ НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
FERROMAGNETIC NONLINEAR ELEMENT

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)
<mrow><msub><mi>i</mi><mi>и</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>и</mi></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
и
где I - амплитуда тока; ω=2π/T - частота колебаний; T - период колебаний.
и
Ток i (1) создает на резисторе 4 напряжение (фиг. 3, а)
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>R</mi><msub><mi>I</mi><mi>и</mi></msub><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R - сопротивление резистора 4.
4
Резистор 4 используется в качестве датчика тока. Значение R должно быть весьма малым, чтобы не влиять на процессы, протекающие в схеме. Напряжение u с помощью компараторов управляет работой ключей УК 6 и УК 7.
1
2
1
1
m
1
m
m
6
и
1
и
m
На интервале времени t…t 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=t сохраняет постоянное значение i=I=const (фиг. 3, г). При этом потокосцепление, создаваемое катушкой индуктивности 1, ψ=Li=LI=Ψ=const (фиг. 3, г), где L - индуктивность катушки, а через УК 6 протекает ток i=i-i=i-I (фиг. 3, б).
5
оп
12
6
5
оп
13
Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 меньше, чем на не инвертирующем входе, т.е. u<-U (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется напряжение u=+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 i(t) (фиг. 3, б). Напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 меньше, чем на не инвертирующем входе u<+U. Поэтому на его выходе формируется напряжение u=+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.
2
3
6
7
и
и
На интервале времени t…t УК 6 и УК 7 находятся в разомкнутом состоянии и токи через них не протекают, т.е. i=0 (фиг. 3, б) и i=0 (фиг. 3, в). Поэтому ток i протекает через катушку индуктивности 1 и потокосцепление ψ=Li изменяется по тому же закону, что и ток источника (фиг. 3, г).
5
оп
12
3
3
5
оп
13
Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 становится больше, чем на не инвертирующем, т.е. u>-U (фиг. 3, а) и на его выходе формируется отрицательное напряжение u=-Е (фиг. 3, б). При отсутствии ПД 16 на коллектор БТ 17 n-p-n типа будет также приложено отрицательное напряжение u=Ldi/dt (фиг. 3, а). Следовательно, БТ 17 будет находиться в инверсном состоянии и способен пропускать ток на интервале Т/2…t. Наличие ПД 16 препятствует этому. Напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 u<+U, поэтому u=+Е и УК 7 по-прежнему находится в разомкнутом состоянии.
3
4
1
m
3
1
m
m
7
и
1
и
m
На интервале времени t…t 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 i=-I=const перед ее замыканием УК 7 в момент времени t (фиг. 3, г). Потокосцепление катушки индуктивности 1 пропорционально протекающему через нее току, поэтому ψ=Li=-LI=-Ψ=const (фиг. 3, г), а через УК 7 протекает ток i=i-i=i+I (фиг. 3, в).
5
оп
13
7
5
оп
12
Действительно, на этом временном интервале напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 больше, чем на не инвертирующем, т.е. u>+U (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется напряжение u=-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 i(t) (фиг. 3, в). Напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 больше, чем на не инвертирующем входе (u>-U). Поэтому на его выходе формируется напряжение u=-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.
4
5
6
7
и
1
и
1
1
На интервале времени t…t УК 6 и УК 7 находятся в разомкнутом состоянии и токи через них не протекают, т.е. i=0 (фиг. 3, б) и i=0 (фиг. 3, в). Поэтому ток i протекает через катушку индуктивности 1, т.е. i=i и потокосцепление ψ=Li изменяется по тому же закону, что и ток катушки i (фиг. 3, г).
5
оп
13
3
5
5
оп
12
Действительно, на этом интервале времени напряжение на инвертирующем входе второго компаратора 11 становится меньше, чем на не инвертирующем входе: u<+U (фиг. 3, а). Поэтому на его выходе формируется положительное напряжение u=+Е (фиг. 3, в). При отсутствии ПД 18 на коллектор БТ 19 p-n-p типа будет также поступать положительное напряжение u=Ldi/dt (фиг. 3, а). Следовательно, БТ 19 находится в инверсном состоянии и способен пропускать ток на интервале Τ…t. Наличие ПД 18 предотвращает протекание тока через УК 7. Напряжение на инвертирующем входе первого компаратора 10 по-прежнему u<+U, поэтому u=-Е и УК 6 остается в разомкнутом состоянии.
1
1
1
1
m
1
m
5
Неопределенные выше на интервале 0…t значения тока i и потокосцепления ψ(i) в силу периодичности протекающих в рассматриваемой схеме процессов должны быть равны значениям i=I и ψ=Ψ, для момента времени t (фиг. 3, г).
и
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 (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.
и
m
и
m
и
Таким образом, полезный эффект (уменьшение мощности потерь) достигается благодаря тому, что при внешних токах i>I и i<-I катушка индуктивности 1 шунтируется управляющими ключами 6 и 7, поэтому ток i 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.
m
m
Предложенное устройство позволяет существенно уменьшить токи, протекающие через катушку индуктивности ФНЭ до величины I - точке излома ампервеберной характеристики, при которой ферроматериал переходит в режим насыщения. Поскольку значение I 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.