Закрыть

Схема заземления трансформатора: Сети с эффективно заземленной нейтралью

Содержание

Заземляющие устройства тяговых подстанций

Заземляющие устройства (ЗУ) тяговых подстанций переменного и постоянного тока выполняются по общим принципам, но имеют целый ряд индивидуальных особенностей.
На рис. 1 показана принципиальная схема заземляющего устройства тяговой подстанции переменного тока. Контур заземления подстанции (КЗП) состоит из вертикальных заземлителей 1, приваренных к сетке из стальных полос 2 по ее периметру. Опоры 4 с молниеотводами для уменьшения сопротивления растеканию импульсного тока разряда молнии приварены полосами 3 сечением 25 х 4 мм к полосам сетки ЗУ.

Рис. 1. Принципиальная схема заземляющего устройства тяговой подстанции переменного тока
Рельсы подъездного пути (РПП) приварены к сетке ЗУ во всех местах их пересечения соединительными полосами 6. Все оборудование подстанции заземляется на КЗП (на схеме показано только присоединение корпусов понижающих трансформаторов  заземляющим проводником 10). Фаза С РУ-27,5 кВ, выполненная в виде рельса 5, уложенного на территории подстанции, соединена с вершиной С "треугольника" трансформатора шиной 9, РПП в точках 8, а к КЗП — проводниками 11, являющимися полосами сетки, с которыми пересекается рельс 5.

От рельса фазы С РУ-27,5 кВ к рельсу главного пути (РГП) идет воздушный рельсовый фидер 13, для надежности выполненный в виде двух ветвей. Присоединение к РГП осуществляется через дроссель-трансформатор (показано отдельно на выносном рис. I). Естественные заземлители (ЕЗ) — металлические оболочки силовых кабелей 14, водопроводные трубы 15 и другие металлические подземные коммуникации, проложенные на территории подстанции, также присоединяются к КЗП, снижая общее сопротивление заземляющего устройства подстанции.
Для устранения опасных шаговых напряжений в местах проходов и проездов на территорию подстанции устроены так называемые козырьки в виде стальных шин 12, закладываемых на расстоянии 1 и 2 м от КЗП на глубине соответственно 1 и 1,5 м и соединенных сваркой с КЗП.

Рис. 2. Распределение потенциалов на поверхности земли за пределами заземляющего контура:
а — при отсутствии козырька; б — при наличии козырька
На рис. 2, а показан спад потенциальной кривой СI за пределами КЗП без козырька, что приводит к появлению большого шагового напряжения Um, опасного для людей.
На рис. 8, б потенциальная кривая СI изображена с учетом использования козырька, обеспечивающего более плавное снижение потенциала земли за пределами КЗП. Это приводит к снижению напряжения шага Uш до безопасной величины. Шины козырька должны иметь длину, превышающую ширину входа или въезда на 1 м с каждой стороны.
На рис. 3 показана принципиальная схема заземляющего устройства тяговой подстанции постоянного тока, состоящего из КЗП, охватывающего всю территорию подстанции и состоящего из вертикальных заземлителей 1 и сварной сетки из стальных полос 2 сечением 40 х 5 мм, положенных на ребро, и ЕЗ (водопроводные трубы 18, металлические оболочки силовых кабелей 19).
Заземляющее устройство подстанции постоянного тока в условиях нормальной эксплуатации не используется для проведения тягового тока от рельса главного пути РГП на шину "минус" подстанции. Это сделано для того, чтобы уберечь КЗП от интенсивной коррозии при протекании через него большого постоянного тока.

Рис. 3. Принципиальная схема заземляющего устройства тяговой подстанции постоянного тока
Все оборудование постоянного тока подстанции заземляется на контур заземления КЗОПТ, который соединяется с КЗП проводниками 8 через реле земляной зашиты 5. Действие земляной защиты подробно описано в параграфе 8.11, где также объяснено назначение короткозамыкателя 17, соединяющего КЗП и рельсовый фидер 16 при срабатывании земляной защиты и создающего путь тока замыкания от выпрямителя 6 через проводник 7 на КЗОПТ и далее через реле земляной защиты 5, проводники 8, КЗП, короткозамыкатели 17, реактор 15 сглаживающего устройства на шину "минус". Оборудование переменного тока заземляется на КЗП (корпус трансформатора 9 проводником 10). Молниеотвод 4 заземлен на КЗП шинами 3. Рельс подъездного пути изолируется тремя изолирующими стыками от рельса главного пути. Один изолирующий стык 11, находящийся на территории подстанции препятствует выносу потенциала с территории подстанции за ее пределы. Стыки 12 и 13, находящиеся на расстоянии не менее 25 м друг от друга, располагаются в месте непосредственного примыкания РПП к РГП.
Это позволяет избежать соединения РПП и РГП при шунтировании одного из стыков в момент прохождения по РПП дрезины.

Глухозаземленная нейтраль. Устройство и работа. Применение

Схема сети с глухозаземленной нейтралью служит для защиты человека от поражения электрическим током. В аварийных случаях глухозаземленная нейтраль выравнивает потенциалы, вследствие чего касание человека к металлическим частям электрооборудования становится безопасным.

Защитное устройство также сыграет свою роль в аварийных ситуациях, отключив подачу питания, так как при коротких замыканиях сила тока в сети возрастает.

Глухозаземленная нейтраль — устройство и работа

Питание потребителей электрической энергией производится с помощью силовых трансформаторов и генераторов. Чаще всего обмотки трех фаз этих устройств соединены по схеме звезды, в которой общая точка является нейтралью. Если эта нейтраль соединена с заземлением через малое сопротивление, либо напрямую, непосредственно возле источника питания, то ее называют глухозаземленная нейтраль.

Рис 1

Применяются также и другие режимы работы нейтрали с заземлением, в зависимости от режимов работы сети при замыканиях на землю, необходимых методов защиты человека от удара током, методов ограничения перенапряжений с:
  • Эффективно заземленной нейтралью.
  • Незаземленной нейтралью.
  • Компенсированной нейтралью.

Такие режимы используются для электрических устройств на 6 киловольт и более. Изолированная нейтраль используется до 1 кВ, и не нашла широкого применения. Она делает безопасной работу только передвижных устройств, в которых невозможно выполнить контур заземления.

Монтаж на нейтрали устройств компенсации дает возможность снизить емкостный ток замыкания устройств, действующих с напряжением более 1 кВ. Компенсация производится с помощью катушек индуктивности, вследствие чего ток в точке замыкания становится нулевым. Для эффективной работы защиты применяется заземление нейтрали резистором. Он образует активную часть тока, на который действует защитное реле.

Глухозаземленная нейтраль является наиболее эффективным способом защиты людей от поражения током. Она применяется в большинстве электрических сетей питания. Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нолем – фазным. Номинальное напряжение электроустановки определяется по линейному значению напряжения. Оно может быть 220, 380, 660 вольт. В бытовых сетях питания напряжение равно 380 вольт.

Однофазные потребители подключаются между фазами и нолем равномерно. Силовой трансформатор на подстанции имеет заземляющий контур. В него входят металлические детали, соединенные между собой, и углубленные в землю. Размеры контура определяют с учетом эффективного распределения тока по земле при замыкании.

Работоспособность заземления определяется величиной сопротивления растекания тока. Допустимые величины этого параметра указаны в правилах электроустановок. Для электроподстанций сопротивление заземления не должно быть выше 4 Ом при напряжении 380 вольт.

Заземляющий контур соединяется с нулевой шиной, выполненной в виде металлической полосы.

К ней подключается провод нулевого вывода трансформатора. Также к ней подключаются жилы кабелей, которые отходят к потребителям. Фазы подключаются к автоматическим выключателям, рубильникам, контактам предохранителей.

Кабели, отходящие от подстанции, имеют четыре жилы. В кабелях старого образца могут быть три жилы в алюминиевой оболочке, которая выступает в качестве провода ноля. Для ввода питания существуют вводные распределительные устройства, которые содержат шину ноля. К ней присоединяют нулевые жилы отходящих и питающих кабелей. Вводное устройство может иметь контур повторного заземления, подключенного также к шине ноля.

Чтобы понять, как работает глухозаземленная нейтраль, рассмотрим аварийный режим.

Пример аварийного случая

На некотором электрооборудовании, на котором работают люди, произошел обрыв провода фазы. При этом фазный провод прикоснулся к металлическим корпусным элементам. В результате возникло короткое замыкание, при котором резко повысилась сила тока. Плавкий предохранитель или электрический автомат сработают и отключат питание сети.

Резистор R0 (Рис. 1) будет иметь меньшее сопротивление, нежели сопротивление по пути протекания тока по телу человека, который случайно прикоснулся фазного проводника. Это исключает удар электрическим током.

В теории потенциал провода ноля относительно земли имеет нулевое значение. Повторное заземление в электроустановке потребителя упрочняет эту нулевую величину.

Возможные случаи поражения людей током:
  • Ошибки при эксплуатации и ремонте, которые приводят к прикосновению к частям и элементам оборудования, находящегося под напряжением.
  • Повреждение изоляции в электрооборудовании, в результате чего металлический корпус попадает под напряжение.
  • Повреждение изоляции токоведущих элементов или неисправность электрооборудования, вследствие чего на поверхности пола возникает зона разности потенциалов, которая создает опасность для прохождения в ней людей. Это называется шаговым напряжением.
  • Повреждение изоляции кабелей и проводников, вследствие чего металлические конструкции, по которым проходят кабели, оказываются под напряжением.

Чтобы исключить аварийные случаи, корпуса устройств соединяют с заземлением. В промышленности по периметру цехов прокладывают металлическую полосу, к которой подключают все металлические элементы. Таким образом уравниваются потенциалы с землей.

При замыкании фазы на корпус заземленного устройства, ток будет протекать к заземлению, даже при отказе защитных устройств. Сопротивление тела человека относительно земли значительно выше сопротивления между корпусом устройства и землей. Таким образом, человека спасает глухозаземленная нейтраль.

Другим принципом защиты является быстрое обесточивание сети. Этому способствует защитное устройство в виде автоматического выключателя, либо предохранителя.

Шаговое напряжение действует следующим образом. Если на влажном бетонном полу лежит неизолированный проводник, находящийся под напряжением, то подходить к нему очень опасно. Напряжение отходит от него волнами, подобно кругам на воде. При попадании ног человека в эту зону, возникает удар электрическим током.

Чтобы защитить людей от шагового напряжения, в полу помещения встраивают металлическую сетку, которая в разных местах соединяется с заземляющим контуром. Этим способом ноги человека шунтируются металлической арматурой решетки, и основная часть электрического тока пройдет мимо человека.

Требования ПУЭ

Заземление должно подключаться к устройству специальным проводником. Для сокращения пути протекания электрического тока и уменьшения затрат, подбирают место непосредственно рядом с источником напряжения, например, трансформатором. Имеется ограничение, заключающееся в том, что если заземлителем является имеющийся бетонный фундамент, то к арматуре бетонного основания, выполненного из металла, подключение выполняют в двух и более местах.

Подобное число подключений выполняют к каркасам из металла, которые расположены в глубине грунта. При таких условиях система заземления способна достаточно эффективно защитить человека от неприятных ситуаций.

Если в качестве источников питания выступают трансформаторы, находящиеся на разных этажах здания, то подключение к нейтрали производится отдельным проводом, который подключают к металлическому каркасу всего строения.

В цепи подключения заземления не должно находиться предохранителей, плавких вставок и других компонентов, которые могут нарушить неразрывность этой цепи. Также принимают вспомогательные меры, которые препятствуют механическим повреждениям.

Некоторые ограничения ПУЭ
  • Если на рабочих, защитных или нулевых проводниках установлен токовый трансформатор, то провод заземлителя монтируется сразу за этим устройством, к нейтральному проводнику.
  • Сопротивление заземляющего устройства в сети 220 вольт ограничивается наибольшей величиной 4 Ом, за исключением особых свойств земли, которые создают повышенное сопротивление более 100 Ом на метр.
  • на воздушных линиях передач заземление устанавливают на конце и на вводе линии для дублирования заземления. Это дает возможность эффективной работы защитных устройств. Это правило используют в случае, когда нет надобности в монтаже большого числа устройств, которые могут устранить перенапряжения при ударах молнии.
    • При выборе проводников для устройства заземления необходимо применять нормативы по наименьшим допустимым размерам и материалу проводников, применяющихся для повторного заземления, проложенного в земле.
Например, если используется стальной уголок, то толщина его стенки должна быть не менее 4 мм. Общая площадь сечения для проводов заземления, соединяющихся с основной шиной, согласно п. 1.7.117 ПУЭ, должна быть:
  • 10 мм2 – медный провод.
  • 16 мм2 – алюминиевый проводник.
  • 75 мм2 – стальной проводник.

Электрический автомат, устанавливаемый для защиты, должен иметь скорость срабатывания при коротком замыкании более 0,4 с при 220 вольт.

В бытовой сети согласно п. 7.1.36 ПУЭ требуется прокладывать сеть к потребителям от общих щитков тремя проводниками: фаза, рабочий ноль и защитное заземление (глухозаземленная нейтраль). Однако во многих квартирах это требование нередко нарушается, что подтверждается отсутствием в розетках заземляющего контакта.

Старые нормативные требования для отечественных зданий были определены для незначительных мощностей. На сегодняшний день мощности бытовых электрических устройств значительно повысились. В квартирах появились кондиционеры, варочные панели, духовые шкафы, которые имеют повышенную мощность.

Для повышения эффективности защиты в современных квартирах обязательным условием является наличие заземления. В новых домостроениях глухозаземленная нейтраль уже заложена в стандартных проектах. В старых постройках хорошие хозяева монтируют заземление при капитальном ремонте.

Похожие темы:

требования, схемы и полезные рекомендации

Чтобы обеспечить безопасность эксплуатации дизельных генераторов, необходимо выполнить заземление ДГУ в соответствии с требованиями ПУЭ, ГОСТ Р 53174-2008, ГОСТ 12. 2.007.0-75 и других действующих нормативных документов. Выполнение этих мероприятий необходимо для предотвращения возможного поражения обслуживающего персонала электрическим током и предупреждения возникновения аварийных ситуаций. На практике применяют несколько разных схем.

Схемы заземления дизельных электростанций

Дизельный генератор и дополнительное оборудование, необходимое для обеспечения его работы, относят к электроустановкам, выходное напряжение которых не превышает 1000 В, работающим в системах электроснабжения с глухозаземленной и изолированной нейтралью. Исходя из этого на практике нейтраль ДГУ выполняется по одному из следующих способов:

  1. Для установок, работающих исключительно в автономном режиме допускается реализация изолированной нейтрали.
  2. При эксплуатации в режиме резервирования центральной сети с глухозаземленной нейтралью, нейтраль установки соединяется с заземляющим устройством.

Во втором случае заземление ДЭС выполняется по одной из следующих схем:

  • IT — при такой системе реализуется изолированная нейтраль установки с дополнительным заземлением открытых токопроводящих частей.
  • ТТ — отличается глухозаземленной нейтралью источника и заземлением агрегата при помощи независимого контура или фундамента здания, в котором размещена ДГУ.
  • TN — система применяется для работы с сетью с глухозаземленной нейтралью. При таком решении все открытые токопроводящие части ДГУ соединяются с глухозаземленной нейтралью генератора при помощи защитных нулевых проводников. На практике применяют схемы TN-C, у который рабочий и защитный проводник объединены, TN-S с раздельными линиями, TN-C-S, представляющая комбинацию двух первых вариантов на отдельных участках.

У каждого резервного дизель-генератора заземление должно быть выполнено по одной из приведенных схем, в противном случае обеспечить безопасную эксплуатацию не удастся.

Требования ПУЭ к заземлению ДГУ

Основной документ, регламентирующий заземление ДГУ, ПУЭ требует выполнения следующих условий при обустройстве системы защиты от поражения электрическим током:

  • Заземляющий контур представляет собой комбинацию заземлителей (проводников, имеющих непосредственный контакт с землей) и заземляющих проводников, при помощи которых осуществляется соединение с оборудованием.
  • Заземляющий проводник стыкуют с заземлителем при помощи сварки, а к ДГУ он подключается на болтовое соединение, причем для этого нельзя использовать штатный крепеж оборудования.
  • Оптимальным решением считается обустройство отдельного контура. Но если агрегат установлен в помещении с собственным контуром, о допускается подсоединение к нему.
  • Кроме того, в качестве заземлителя разрешено использовать фундаменты зданий, трубопроводы, за исключением сетей, предназначенных для горючих или взрывоопасных сред.

В любом случае необходимо обеспечить сопротивление заземляющих устройств в пределах до 4 Ом, только так можно гарантировать безопасность работы ДГУ.

Комплекс мероприятий по заземлению дизельных электростанций

Можно обустроить контур заземления ДГУ совместно с молниезащитой, для этого потребуется выполнение следующих работ:

  • На противоположных стенах дизель-генераторной крепят две мачты-молниеприемника, высота которых не должна быть менее 1,5 метров.
  • Для соединения молниеприемников с заземлителями прокладываю токоотводы, сечение которых определяется расчетом.
  • Вокруг здания на расстоянии 1 метра на глубину не менее 0,5–0,7 метров укладывают основной заземляющий контур из металлической полосы расчетного сечения.
  • В точках подсоединения токоотводов от молниезащиты, защищаемого оборудования монтируют вертикальные электроды, длиной не менее 3 метров.
  • Соединение всех элементов осуществляется при помощи спецзажимов.

Подобное решение позволяет обеспечить эффективное заземление ДГУ и молниезащиту, при этом занимает минимум пространства, может быть реализовано на участках с небольшой площадью.

Трехфазный трансформатор с настраиваемыми соединениями обмотки

Соединение обмотки 1 (клеммы ABC)

Соединение обмотки для обмотки 1. Возможны следующие варианты: Y , Yn , Yg (по умолчанию), Delta (D1) и Дельта (D3) .

Соединение обмотки 2 (клеммы abc)

Соединение обмотки для обмотки 2. Возможны следующие варианты: Y , Yn , Yg (по умолчанию), Delta (D1) и Дельта (D3) .

Тип

Выберите Три однофазных трансформатора от (по умолчанию) до реализовать трехфазный трансформатор с использованием трех моделей однофазных трансформаторов. Вы можете использовать этот тип сердечника для представления очень больших силовых трансформаторов, используемых в электрических сетях (сотни МВт).

Выберите Сердечник с тремя конечностями (стержневой тип) для реализации тройного стержня сердечник трехфазного трансформатора. В большинстве приложений трехфазные трансформаторы используют сердечник трехлепестковый (трансформатор сердечниковый).Этот тип сердечника дает точные результаты во время асимметричный отказ как для линейных, так и для нелинейных моделей (включая насыщение). В течение при асимметричном напряжении поток нулевой последовательности трансформатора с сердечником возвращается вне активной зоны через воздушный зазор, конструкционную сталь и резервуар. Таким образом, естественный Индуктивность нулевой последовательности L0 (без обмотки треугольником) такого трансформатора с сердечником составляет обычно очень низкий (обычно 0,5 о.е. 100 о.е.).Это низкое значение L0 влияет на дисбалансы напряжений, токов и магнитных потоков во время линейной и насыщенной работы.

Выберите Пятиконечное ядро ​​(оболочка) для реализации пятиконечного сердечника сердечник трехфазного трансформатора. В редких случаях очень большие трансформаторы изготавливаются с Пятилепестковое ядро ​​(три фазных и два внешних). Эта основная конфигурация, также известная в качестве типа оболочки выбирается в основном для уменьшения высоты трансформатора и обеспечения транспортировка проще. В условиях несимметричного напряжения, в отличие от трехлепесткового трансформатора, поток нулевой последовательности пятиконечного трансформатора остается внутри стального сердечника и возвращается через две внешние конечности. Естественная индуктивность нулевой последовательности (без дельта) очень высока (L0> 100 о.е.). За исключением небольших дисбалансов тока из-за несимметричность сердечника, поведение пятиконечного трансформатора оболочечного типа аналогично поведению трехфазный трансформатор, состоящий из трех однофазных блоков.

Simulate saturation

Если выбрано, реализует насыщаемый трехфазный трансформатор. По умолчанию очищено.

Если вы хотите смоделировать трансформатор в векторном режиме Блок Powergui, вы должны очистить этот параметр.

Имитация гистерезиса

Выберите для моделирования характеристики насыщения, включая гистерезис, вместо однозначная кривая насыщения. Этот параметр отображается, только если Simulate выбран параметр насыщенность .По умолчанию очищено.

Если вы хотите смоделировать трансформатор в векторном режиме Блок Powergui, вы должны очистить этот параметр.

Файл матрицы гистерезиса

Этот параметр отображается, только если Simulate выбран параметр гистерезис .

Укажите файл .mat , содержащий данные для использования в гистерезисе. модель. Когда вы открываете Hysteresis Design Tool блока Powergui, петля гистерезиса по умолчанию и параметры, сохраненные в гистерезисе .коврик файл отображаются. Используйте кнопку Load в инструменте Hysteresis Design. для загрузки еще одного файла .mat . Используйте кнопку Сохранить на инструмент Hysteresis Design, чтобы сохранить модель в новом файле . mat .

Задайте начальные потоки

Если выбрано, начальные потоки определяются Начальные потоки на вкладке Параметры . Укажите Параметр начальных потоков виден только если Simulate выбран параметр насыщенность .По умолчанию очищено.

Когда Укажите начальные потоки Параметр не выбран при симуляторы, Simscape ™ Программное обеспечение Electrical ™ Specialized Power Systems автоматически вычисляет начальные потоки в запустить моделирование в устойчивом состоянии. Вычисленные значения сохраняются в исходном файле . Изменяет параметр и перезаписывает все предыдущие значения.

Измерения

Выберите Напряжения обмотки , чтобы измерить напряжение на клеммы обмотки.

Выберите Токи обмотки , чтобы измерить протекающий ток. через обмотки.

Выберите Потоки и токи возбуждения (Im + IRm) для измерения потокосцепление в вольт-секундах (В.с) и полный ток возбуждения, включая железо потери, моделируемые Rm.

Выберите Потоки и токи намагничивания (Im) для измерения потокосцепление в вольт-секундах (В.с) и ток намагничивания в амперах (А), а не включая потери в стали, моделируемые Rm.

Выберите Все измерения (V, I, Flux) для измерения обмотки напряжения, токи, токи намагничивания и потокосцепления.

По умолчанию Нет .

Поместите блок мультиметра в свою модель, чтобы отображать выбранные измерения во время моделирование. В поле списка Доступные измерения Блок мультиметра, измерения обозначаются меткой, за которой следует блок имя.

Если соединение Обмотка 1 (клеммы ABC) установлено на Y , Yn , или Yg , этикетки следующие.

Измерение

Табличка

Напряжение обмотки 1

Uan_w1:

0001

1 токи

Ian_w1:

или

Iag_w1:

Флюсы

Flux_Are0008

8
8

Токи возбуждения

Iexc_A:

Те же надписи применяются для обмотки 2, за исключением того, что 1 заменено на 2 в этикетках.

Если соединение Обмотка 1 (клеммы ABC) установлено на Delta (D1) или Delta (D3) , этикетки являются следующими.

Измерение

Этикетка

Напряжение обмотки 1

Uab_w1:

Токи обмотки 1

Iab_w1:

Потоковые рычаги

Flux_A: 900_70008

Flux_A: 900_70008

Токи возбуждения

Iexc_A:

Трансформаторы заземления

Трансформаторы заземления предназначены для обеспечения искусственной нейтрали для незаземленных трехфазных энергосистем.

Во время замыканий на землю заземляющие трансформаторы обеспечивают простой путь к замыканиям на землю, чтобы ограничить токи замыкания и переходные перенапряжения.

Заземляющие трансформаторы обычно проводят ток короткого замыкания на землю до тех пор, пока автоматический выключатель не устранит неисправность. Поэтому у них краткосрочные рейтинги.

Номинальная мощность заземляющего трансформатора в кВА зависит от нормального напряжения между фазой и нейтралью и значения тока повреждения в течение определенного времени, например от секунд до минут.

Технические характеристики
Тип Сухой или масляный [ZN (зигзаг), ZNyn, YNd (открытый), Ii0]
Напряжение до 36 кВ
Текущий до 3000 А *
Работа (секунды) 10/30/60 или другие
Способ охлаждения

ОНАН, ОНАФ

АН, АФ

Частота 50 Гц / 60 Гц
Установка Внутренний / Открытый
Температура окружающей среды от -30 ° C до 55 ° C *
Стандарты

МЭК 60076-6

МЭК 60076-1

Варианты корпуса Шкафы трансформаторные на любую степень защиты IP:

- КТ

- VT

- Разъединитель

* Для получения более высоких значений обратитесь на завод-изготовитель.

12 шагов для проектирования трансформаторов SMPS: Группа Талема

Разработка магнитных компонентов для SMPS может быть сложной задачей из-за растущих требований к современной электронике. Выполнение этих 12 шагов может помочь инженерам справиться с трудностями и обеспечить успешный проект.

При проектировании магнитных компонентов ИИП необходимы следующие параметры:

  • Диапазон входного напряжения
  • Выходное напряжение
  • Выходная мощность или выходной ток
  • Частота переключения
  • Рабочий режим
  • Максимальный рабочий цикл IC
  • Требования безопасности
  • Температура окружающей среды
  • Требования к размерам

Шаг 1: Основной выбор

Сделайте предварительный выбор ядра, исходя из требований к питанию приложения, топологии коммутации и частоты.Ферритовые сердечники - лучший выбор для высокочастотных приложений. Для работы на частотах ниже 500 кГц большинство разработчиков будут использовать материал сердечника с проницаемостью от 2000 до 2500. Проницаемость значительно изменяется с повышением температуры и рабочей плотностью потока. В общем, это не повлияет на работу преобразователя, если сердечник не близок к насыщению, поскольку индуктивность (которая управляет режимом работы) в первую очередь определяется воздушным зазором. Однако повышение температуры и рабочая плотность потока будут влиять на потери в сердечнике, и это необходимо учитывать для обеспечения надежной работы.

Форма сердечника

Форма сердечника и конфигурация окна важны для конструкции высокочастотного трансформатора, чтобы минимизировать потери. Область окна намотки должна быть как можно шире, чтобы максимально увеличить ширину намотки и минимизировать количество слоев. Это минимизирует сопротивление обмотки переменного тока.

  • Сердечники EFD и EPC используются, когда требуется низкий профиль.
  • EE и EF - хороший выбор и обычно используются как с вертикальными, так и с горизонтальными шпульками (вертикальные шпульки хороши, когда место для занимаемой площади ограничено).
  • Сердечники ETD и EER обычно больше, но имеют большую площадь обмотки, что делает их особенно хорошими для конструкций с более высокой мощностью и схем с несколькими выходами.
  • Ядра PQ дороже, но занимают немного меньше места на печатной плате и требуют меньше витков, чем ядра E.
  • Для трансформатора с запасом обмотки потребуется больший размер сердечника, чем для трансформатора с тройной изоляцией, чтобы оставить место для полей.
Размер сердечника

Есть много переменных, участвующих в оценке подходящего размера ядра.

  • Один из способов выбрать подходящий сердечник - это обратиться к руководству производителя по выбору сердечника.
  • Произведение площади сердечника ( W a A c ), полученное путем умножения площади поперечного сечения сердечника на площадь окна, доступного для намотки, широко используется для первоначальной оценки размера сердечника для данного приложения.
  • Возможности обработки мощности ядра не масштабируются линейно с произведением площади или объемом ядра. Трансформатор большего размера должен работать с более низкой удельной мощностью, потому что площадь рассеивающей тепло поверхности не увеличивается пропорционально объему, производящему тепло.

В таблице ниже представлен обзор типов сердечников в зависимости от пропускной способности мощности:

, EF EI22, EFD25 EI60, EE50, EE60, EER49
Уровень выходной мощности (Вт) Рекомендуемые типы сердечников
0–10 EFD15, EF16, EE19, EFD20, EFD25
10–2019E, EFD
20–30 EI25, EFD25, EFD30, ETD29, EER28 (L)
30–50 EI28, EER28 (L), ETD29, EFD19 5018835 5018835 –70 EER28L, ETD34, EER35, ETD39
70–100 ETD34, EER35, ETD39, EER40
100–150 EI50, EE40, EER40
200–500 ETD44, ETD49, E55
> 500 ETD59, E65, E70, E80
9000 a 905 905 905 A197 c W205 Соотношение / выходная мощность получается с помощью:

K f = форм-фактор; для прямоугольной формы K f = 4
K u = коэффициент использования окна
J = плотность тока
B max = рабочая плотность потока
F = частота переключения
P o = выходная мощность

Шаг 2: значение произведения напряжения на время (V-µSec)

Определите значение V-T на основе максимально допустимого рабочего цикла и частоты.

Шаг 3: Первичные витки

Определите минимальное количество витков первичной обмотки, необходимое для поддержки наихудшего значения V-T .

Примечание: B <0,3 Тл для феррита

Шаг 4: Передаточное число

Расчет отношения витков вторичной / первичной обмоток

Примечание: падение диода В d = 0,5-1 В

Шаг 5: Вторичные витки

Выберите точное количество витков первичной и вторичной обмоток, которое будет использоваться, на основе N p и N s / N p .

Шаг 6: Первичная индуктивность

Рассчитайте требуемую индуктивность первичной обмотки:

В таблице ниже приведены типичные значения КПД:

Топология Диапазон эффективности (η)
Обратный ход > 70%
Вперед > 85%

Полумост

> 90%
Полный мост > 90%

Шаг 7: Воздушный зазор

Трансформатор наименьшего размера и самой низкой стоимости достигается за счет полного использования сердечника. В конкретном приложении оптимальное использование сердечника связано с определенной оптимальной длиной зазора сердечника.

Зазор сердечника определяется количеством витков первичной обмотки и характеристикой индуктивности. Разработчик должен убедиться, что зазор достаточен для предотвращения насыщения сердечника.

Примечание. В топологиях двухтактного, прямого, полумостового и полного мостового преобразователя воздушный зазор обычно не требуется, так как это фактически действие трансформатора.

Шаг 8: Размер провода

После определения всех витков обмотки необходимо правильно выбрать размер провода, чтобы минимизировать потери проводимости обмотки и индуктивность рассеяния.Потери в обмотке зависят от действующего значения тока, длины и ширины провода, а также от конструкции трансформатора.

  • Размер провода можно определить по среднеквадратичному току обмотки.
  • Потери в обмотке зависят от величины сопротивления провода.
  • Сопротивление складывается из сопротивления постоянному току и сопротивления переменному току. На низких частотах R DC >> R AC , R AC можно эффективно игнорировать.
  • На высоких частотах может потребоваться использование многожильного / лицевого провода или фольги для минимизации сопротивления переменному току.
  • Из-за скин-эффекта и эффекта близости проводника диаметр провода / жилы должен быть меньше 2 * Δ d ( Δ d = глубина скин-эффекта)
  • Принять плотность тока обычно составляет 3–6 А / мм 2 .

Шаг 9: коэффициент заполнения

Коэффициент заполнения означает площадь намотки на всю площадь окна сердечника (должно быть <1). Для первоначальных проектов рекомендуется использовать коэффициент заполнения не более 50%.Для трансформаторов с высокой удельной мощностью и несколькими выходами этот коэффициент, возможно, потребуется дополнительно уменьшить.

  • После определения размеров проводов необходимо проверить, может ли площадь окна с выбранной жилой вместить рассчитанные обмотки. Площадь окна, требуемая для каждой обмотки, должна быть соответственно рассчитана и сложена, также следует учитывать площадь межобмоточной изоляции, бобину и промежутки между витками.
  • На основе этих соображений общая требуемая площадь окна затем сравнивается с доступной площадью окна выбранного ядра. Если требуемая площадь окна больше, чем выбранная, необходимо либо уменьшить размер провода, либо выбрать жилу большего размера. Конечно, уменьшение размера провода увеличивает потери в меди трансформатора.

Шаг 10: потеря сердечника

В трансформаторе потери в сердечнике зависят от напряжения, приложенного к первичной обмотке.В индукторе это функция переменного тока, протекающего через индуктор. В любом случае, для оценки потерь в сердечнике необходимо определить уровень рабочей плотности потока. Зная частоту и уровень B, потери в сердечнике можно оценить по кривым потерь материала в сердечнике.

Шаг 11: Потеря меди

В трансформаторе потери в меди являются функцией сопротивления переменного и постоянного тока.

Шаг 12: Повышение температуры

Повышение температуры важно для общей надежности цепи.Пребывание ниже заданной температуры гарантирует, что изоляция проводов находится в рабочем состоянии, что близлежащие активные компоненты не выходят за пределы своей номинальной температуры и что общие температурные требования соблюдены. Может произойти тепловой разгон, в результате чего сердечник нагреется до температуры Кюри, что приведет к потере всех магнитных свойств и катастрофическому отказу. Общие потери измеряются в ваттах, а площадь поверхности - в см 2 .

Конструкция трансформатора

Конструкция трансформатора сильно влияет на индуктивность рассеяния первичной обмотки.Индуктивность утечки приводит к скачку напряжения при выключении полупроводникового переключателя, поэтому минимизация индуктивности рассеяния приведет к более низкому скачку напряжения и уменьшению или даже отсутствию потребности в демпфирующей цепи на первичной обмотке.

Для минимизации индуктивности рассеяния используются следующие методы:

  • Обмотки трансформатора всегда должны быть концентрическими, то есть друг над другом, чтобы обеспечить максимальное сцепление, по этой причине не следует использовать разделенные и многосекционные катушки.
  • Использование разделенной первичной обмотки, когда первый слой обмотки является самой внутренней обмоткой, а второй слой наматывается снаружи.
  • В трансформаторе с несколькими выходами вторичная обмотка с наивысшей выходной мощностью должна располагаться ближе всего к первичной для наилучшего соединения и наименьшей утечки.
  • Вторичные обмотки, состоящие всего из нескольких витков, должны быть расположены по ширине окна шпульки, а не сгруппированы вместе, чтобы обеспечить максимальное соединение с первичной обмоткой.Использование нескольких параллельных жил провода является дополнительным методом увеличения коэффициента заполнения и соединения обмотки с помощью нескольких витков
  • Чтобы минимизировать индуктивность рассеяния и при этом соответствовать требованиям изоляции, при проектировании обмоток используйте провода с тройной изоляцией и минимальное количество слоев ленты.

Конструкция с намоткой по краю или конструкция с тройной изоляцией используется для соответствия международным стандартам безопасности.

Экранирование трансформатора: Использование магнитной ленты (медного экрана) вокруг всего трансформатора обеспечит защиту от излучения по окружности для вихревых токов в трансформаторе.Этот экран представляет собой просто заземленную петлю из медной фольги вокруг всей сборки. Использование этого метода требует тщательного рассмотрения требований к изоляции, а также вопросов утечки и зазоров.

Вакуумная пропитка: Высокопроизводительные приложения, такие как военные, аэрокосмические, медицинские и высоковольтные, часто требуют дополнительного уровня защиты и изоляции. Вакуумная пропитка эпоксидными смолами и / или лаками может обеспечить такой высокий уровень производительности и долговечности.

См. Другие сообщения блога из категории "Переключенный режим"

  • Бхувана Мадхайян

    Бхувана Мадхайян - инженер-проектировщик в Talema India.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *