RU2725610C1

RU2725610C1 - Unipolar current electric power pulses transformer

Info

Publication number: RU2725610C1
Application number: RU2020110185A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Борисенко; Андрей Александрович Жохов; Борис Сергеевич Редькин
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2020-07-03

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in electrometallurgy for galvanic isolation in power supply sources of high-frequency arc used for melting of metal powders, spark erosion treatment of surface and production of parts with complex shape.EFFECT: technical result consists in reduction of conductivity of magnetic conductor and is achieved using an insert from neodymium magnet with axial arrangement of poles, placed in gap of magnetic conductor of transformer with thickness of 1 mm.1 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in electrometallurgy as a galvanic isolation in power sources of a high-frequency direct current arc used for melting metal powders, electroerosive surface treatment and manufacturing of parts of complex shape.

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.It is known that the transformation of electric power pulses of unipolar current is difficult due to saturation of the working induction of the transformer magnetic circuit in accordance with the magnetization curve for this material. At low power (for example, control signals to the base / gate of power transistors), it is possible to transfer energy using a transformer without significant loss of the useful signal through a private magnetization loop near the saturation region of the magnetic circuit, while the induction varies from residual B _r to (in the limit) saturation induction B _s . Schematically, a private magnetization loop is shown in FIG. 1 by a shaded area. For the best representatives of the class of ferromagnets, the residual induction is approximately equal to half of the saturation induction [Power electronics from simple to complex / Semenov B.Yu. - M .: SOLON-Press, 2005. - 419 s]. In such operating conditions, the magnetic core of the transformer is the least efficient. For single-cycle converters, the proposed unipolar current transformation schemes severely limit the control characteristics of power supply sources and require the introduction of additional elements in the circuit to protect power transistors from potential breakdown due to the occurrence of self-induction EMF. Therefore, it is necessary to develop simple ways to reduce residual induction in the magnetic circuit of a power transformer without significantly complicating the circuits.

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.During the development of pulsed electrical engineering, the most interesting technological solutions to this problem were proposed in bipolar current circuits, where the phenomenon of saturation of the working induction of the magnetic circuit has the same nature and is explained by the magnetization of the core of the power transformer by short-term direct currents arising due to the asymmetry of the pulses, caused by several reasons of a circuit nature.

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.The introduction of feedback on the scattering flux or magnetization current of a power transformer is implemented in a pulse voltage converter [I.V. Fomin // RF Patent No. 2035833 dated 05/20/1995] and [Tupikov N.G. and others // RF Patent No. 2410829 from 01/27/2011] - analogue. In this case, with an increase in the bias current, the correction of the duration of the control pulses is performed in each control cycle. Such a circuit solution is associated with significant difficulties in measuring controlled parameters (scattering flux and bias current). With significant asymmetry of the pulses caused by the spread in the parameters of power transistors, installation errors of the RF chokes and the topology of the printed circuit boards, current growth through the primary winding of the transformer can occur at a high speed, and then the pulse duration can not be adjusted to correct the asymmetry, the comparator disables the power stage, which leads to violation of the normal mode of operation of the converter. Thus, the presence of a significant inertia of transients in the feedback circuits can lead to failure of power switches and emergency situations. Such a converter does not provide for the reduction of residual induction, which limits its use as a power source for a high-frequency arc of a unipolar current.

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.The inclusion of a separation capacitor in the primary winding of the power transformer leads to a symmetrization of the position of the working hysteresis loop in the resonant circuits [Features of the high-frequency power transformer in the series resonant inverter circuit. / S. Zeman, A. Osipov, O. Sandyrev. - Power Electronics. - No. 1. - 2007] - an analogue. In this case, the bias current of the power transformer is completely absent due to the fact that the average value of the current of the separation capacitor in the steady state is zero. Such a technical solution is most effective in resonant circuits, however, when a step voltage jump with a certain asymmetry occurs, low-frequency oscillations occur, leading to an overestimation of the working induction of the transformer and a violation of the normal mode of operation of the converter. To eliminate these fluctuations, it is necessary that the duration of the front of the voltage jump does not exceed the time constant of the oscillatory process, which causes certain difficulties in calculating the separation capacity. The device does not provide for the reduction of residual induction, which limits its use as a power source for a high-frequency arc of a unipolar current.

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.Elimination of the asymmetric mode of operation of the transformer by introducing a non-magnetic gap [B. Gusev, D. Ovchinnikov / A bridge converter with a current doubler for magnetizing the transformer core // Electronics: Science, Technology, Business. 2005. Issue. 5.] - prototype - is an effective technical solution in the fight against magnetization of the magnetic circuit and can reduce the bias of the private loop of the magnetization loop when exposed to significant asymmetries. The demagnetizing effect of the gap leads to a shift in the hysteresis loop and a noticeable decrease in the magnetic permeability of the magnetic circuit with a decrease in residual induction, and therefore the useful range of induction increases significantly. Small values of the gap do not actually affect the losses in the magnetic circuit, however, they have the necessary demagnetizing effect, eliminating the rapid saturation of the magnetic circuit under the action of a unipolar current. Such a device of the transformer magnetic circuit is the simplest, however, it is not possible to reduce the residual induction to zero and completely eliminate the magnetization current, as a result of which it is necessary to increase the supply of working induction with respect to the saturation induction, which should include a constant level due to the magnetization current. To increase the resistance to the magnetizing current, it is necessary to increase the non-magnetic gap of the magnetic circuit, which is not always possible due to an increase in the magnetization reversal losses and a significant increase in the magnetization current of the transformer. The device is not suitable for reducing residual induction to zero and the transformation of pulses of electric power unipolar current.

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.The objective of the present invention is to develop a transformer of pulses of electric power of unipolar current with zero residual induction of the magnetic circuit for galvanic isolation in the power sources of the high-frequency arc used for melting metal powders, electrical discharge surface treatment and manufacturing of parts of complex shapes.

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.The technical result is achieved through the use of a neodymium magnet insert with an axial pole arrangement, placed in the gap of a transformer magnetic core with a thickness of 1 mm. In FIG. 1, 2 shows a diagram of a transformer with an insert of a neodymium magnet. In FIG. 3 shows a transformer with a neodymium magnet insert. The numbers indicate: (1) - transformer magnetic circuit; (2) - an insert of a neodymium magnet; (3) - transformer windings. The induction vector of a neodymium magnet located in the gap of the magnetic circuit is oriented towards the induction vector of a unipolar current flowing in the transformer windings and serves to reduce the residual magnetic circuit induction B _r to zero and, as a result, to increase the efficiency of the transformer. As a magnetic core used ferrite grade M2000NM with the following characteristics: coercive force H _with = 16 A / m; residual induction B _r = 0.14 T; saturation induction B _s = 0.38 T [LTspice: computer simulation of electronic circuits. / Volodin V.Ya. - SPb. - BHV-Petersburg, 2010, - 400 s]. The operation of the transformer of pulses of electric power of unipolar current at a frequency of 60 kHz with different pulse duty cycle S = 1,1; S is 2; S = 10 with a voltage of 500 V and a current of 0.5 to 1 A is characterized by the following examples.

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.Example 1. The insert of a neodymium magnet is pre-magnetized to B1 = 0.15T. The efficiency of the transformer is 82% for various duty cycle of pulses S = 1,1; S is 2; S = 10 and currents in the range of 0.5 - 1 A.

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.Example 2. The insert of a neodymium magnet is pre-magnetized to B2 = 0.4 T. The efficiency of the transformer is equal to 92% for various duty cycle of pulses S = 1,1; S is 2; S = 10 and currents in the range of 0.5 - 1 A.

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.Example 3. An insert of a neodymium magnet is pre-magnetized in the field of a solenoid without a core to H = 18A / m. The efficiency of the transformer is 79% for various duty cycle of pulses S = 1,1; S is 2; S = 10 and currents in the range of 0.5 - 1 A.

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.It can be seen from the above examples that the case where the neodymium magnet insert is magnetized to the saturation induction value B _{s of the} M200NM ferrite, the core material of the power transformer, is the most effective.

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.Thus, the proposed unipolar current pulse transformer with an neodymium magnet insert with an axial pole arrangement placed in the gap of a transformer magnetic circuit with a thickness of 1 mm can be used for galvanic isolation in high-frequency arc power sources used for melting metal powders, electroerosive surface treatment and manufacturing of parts complex shape.

Claims

A transformer of pulses of electric power of a unipolar current through a private magnetization loop, characterized in that to reduce the residual magnetization to zero, an insert made of a neodymium magnet with an axial pole arrangement is placed in the gap of the transformer magnetic core with a thickness of 1 mm.