Strannik-56

Доброго всем дня! Это первый материал в цикле статей о проектировании LLC преобразователей. Небольшое отступление. Ниже будут приведены материалы необходимые, на мой взгляд, для правильного понимания процесса проектирования для начинающих проектировщиков ИИП. Толчком к написанию статей послужил тот факт, что люди прошедшие долгий путь познания и способные грамотно объяснить то, что от них хотят, зачастую не могут этого сделать методически правильно как раз из-за того, что много знают и многие вещи, кажутся им общеизвестными и понятными и которые они попросту не замечают. В силу этого, новичек остается с кучей не выясненных проблем, на которые просто стесняется задать вопрос дабы не быть посланным – к первоисточникам. А первоисточники, как правило, пишутся специалистами для специалистов и где набрать тот минимум знаний, а главное понять, как все это происходит для того чтобы оттолкнувшись от него начать самостоятельное плавание неизвестно. Ни коим разом не надо думать, что я что-то шибко хорошо знаю и могу с легкостью объяснить. Это не правильно, я такой же новичек как и Вы, но у меня есть неоспоримое преимущество перед мэтрами - я как и Вы вижу то, что их мозг в силу накопленных знаний просто отбрасывает. Поэтому эта ветка открыта для любых, даже глупых на первый взгляд вопросов. Предупреждаю сразу, материалы, которые будут публиковаться не претендуют на авторство от слова совсем. Просто у меня накопился достаточно большой объем информации по этой теме и то, что мне кажется наиболее удобоваримым я предоставлю Вам в той последовательности, в какой вижу ее сам. Статья первая. Физические основы работы трансформатора напряжения. Небольшая преамбула – ну вот опять теория поля и прочие премудрости электромагнетизма, а оно мне надо? Надо, ибо тем кому не надо, прямой путь к всевозможным калькуляторам и мешку горелых транзисторов. Поймите, что калькуляторы просто облегчают жизнь тех, кто и так способен с карандашём рассчитать любой узел ИИП, а заодно и проверить правильность работы этого самого калькулятора. Немного из общепринятой теории доменного строения магнитопроводяших материалов. Основная функция магнитного сердечника трансформатора – многократное увеличение магнитного потока, создаваемого током в обмотке. Оно достигается за счёт имеющихся в материале сердечника доменов - как бы множества маленьких постоянных магнитиков. При возбуждении трансформатора магнитные домены в материале сердечника как бы поворачиваются, ориентируясь по направлению магнитного поля, создаваемого током в обмотке, и многократно его усиливают. Т.е. переменный ток заставляет домены каждый период переориентироваться с одного направления на противоположное. При этом на поворот (или переориентацию доменов) тратится определённая энергия, которая и представляет собой, так называемые, потери на гистерезис, определяемые площадью петли гистерезиса. Об этом немного позже. Любая катушка, если к ней приложить напряжение, реагирует созданием противо э.д.с, равным приложенному напряжению. Точнее противо э.д.с. чуть-чуть меньше, ровно настолько, чтобы через катушку протекал ток намагничивания. Т.к. ток намагничивания создаёт поле намагничивания сердечника, а именно этим полем намагничивания противо эдс и вызвана. Если поле намагничивания чуть увеличить - тут же увеличится противо эдс и уменьшится ток намагничивания. Если его уменьшить - уменьшается противо эдс и растёт ток намагничивания. Т.е. катушка всегда стремится сохранить величину поля намагничивания - кстати, отсюда и т.н. законы коммутации - если разорвать цепь катушки с током, то она создаёт выброс напряжения противоположной полярности, стремясь сохранить ток намагничивания, а значит поле. Ситуация в трансформаторе отличается только тем, что в данном случае поле намагничивания пытается уменьшить вторичная обмотка, когда в ней появляется ток нагрузки. Далее всё так же - из-за уменьшения поля снижается противо эдс - увеличивается ток первички. Он увеличивается до тех пор, пока поле намагничивания не станет прежним. Т.е. ещё раз про причинные связи - при появлении нагрузки поле вторички уменьшает поле намагничивания, это уменьшает противо эдс и увеличивает ток первички. Поле первички нарастает до тех пор, пока поле в сердечнике не станет прежним. Обращаю особое внимание на то, что вторичка не может увеличить поле, она его только уменьшает (пытается), а первичка никак не может сделать поле в сердечнике больше чем было до появления нагрузки. Если поле вдруг станет чуть больше, тут же увеличится противо эдс и уменьшит ток первички. Далее считается, что в сердечнике трансформатора протекает не два противонаправленных потока, а только один, равный разности потоков обмоток и равный потоку «холостого хода», соответствующего питающему напряжению. Как же трансформатор набирает нагрузку, т.е. что заставляет ток в первичной обмотке возрастать от долей процента на «холостом ходу» до 100% при Iном. При включении трансформатора при разомкнутой вторичной обмотке ток в первичной обмотке возрастает до тех пор, пока магнитный поток, вызываемый им в сердечнике, не достигнет амплитудного значения, соответствующего равенству I = (1/N) * dФ/dt это так называемая формула закона полного тока магнитной цепи, где Где I — сила тока, протекающего по контуру, N — число витков контура, dФ/dt — скорость изменения магнитного потока. Сила тока измеряется в амперах (А), скорость изменения магнитного потока выражается в веберах в секунду (Вб/с). Выводы : - мощность передаваемая через трансформатор не оказывает влияния на поле намагничивания. Иными словами, если вы в своих расчетах выбрали поток магнитной индукции Bm далеким от величины Bm max, то вам никогда не удастся загнать данный трансформатор в режим насыщения даже при КЗ во вторичной обмотке. - габаритная мощность есть конструкционная величина которая определяется исходя из разумного КПД и достаточной площади изделия для сброса тепла от омического нагрева обмоток + потери в сердечнике. Потери практически не зависят от мощности и никак не связаны с насыщением сердечника при перегрузке трансформатора. Но тут есть один ньюанс в слове «достаточной площади изделия». Вам ведь кроме отведения тепла от трансформатора надо еще разместить на нем соответствующее количество витков обмоток, диаметр которых ограничивается величиной максимального протекающего по ним тока. И поверьте, это ограничение никогда не даст сделать вам трансформатор недостаточной площади.

Спасибо, уже пошло наполнение.

Можно вопрос? А почему напряжение на вторичке не синусоподобное?

Доброго здравия всем! В этой ветке я бы хотел в виде методического материала изложить ДОХОДЧИВЫМ языком свой взгляд на официальные методики расчета LLC инверторов. Тема открыта для всех, желающих поделиться своими знаниями и опытом в этой области. Рассматривать все ньюансы будем на примере AN4151 поскольку на него есть русский перевод да и другие апноты не многим отличаются от него. Предлагаю тему разбить на этапы: 1. Общая теория работы LLC инверторов. Интересуют ответы не в виде - и так все известно, а раскрытие таких моментов как: а) работа резонансного контура (далее РК) с внешней резонансной индуктивностью (Lr) в составе индуктивности намагничивания резонансного трансформатора (lm), влияния его индуктивности рассеяния(Llkp) на работу контура как со стороны первичной так и вторичной обмоток. Все это желательно проиллюстрировать эпюрами напряжений на элементах РК. В апнотах много непонятного именно по эпюрам. б) разница в физике работы трансформатора напряжения и трансформатора-накопителя энергии с соответствующим разЪяснением роли тока намагничивания сердечника трансформатора, его магнитной индукции (Bm), максимально возможным током первичной обмотки при заданном значении Bm. Пока хватит, разберемся пойдем дальше.

Как я понимаю Вы как и я столкнулись с проблемой двоякого чтения апнот. Тема в этом же топике понеслась как всегда в привычном ракурсе "где мерил", а хотелось бы получить хоть какие-то ответы на конкретные вопросы и желательно последовательно в виде методички по расчету LLC. Я вроде как уже прошел этот путь и кое что могу объяснить (как я это понимаю), но давайте либо откроем новую тему, что-то "В помощь начинающему LLC строителю" либо в приват. Первое предпочтительнее т.к. будет польза многим да и знатоки поправят если где не так.

Доброго дня! Ну, как Вы и поняли тема так и осталась нераскрытой. Хотя на протяжении многих страниц в меня кидались тапками. Я в принципе тоже из "низовых", поэтому постараюсь коротко о том, что удалось вытянуть. Во всех апнотах расчет и теория заканчивается на расчете резонансного контура. Да и зачем им больше. Ток контура есть, индуктивность тоже, листай каталог и выбирай, что надо из готового. Тем более в AN4151 написано буквально следующее: "Выбираем для трансформатора сердечник EER3542 (Ае = 107mm2)..." А с какого перепугу Ae=107 мм.кв? Так это мы по теплу исходя из отдаваемой мощности посчитали, ой подсмотрели, в соответствующей графе в том же каталоге. Как я понимаю нам с Вами это совсем не подходит и я думаю, им тоже скоро придется забыть про каталоги. Давайте поднимем тему и возможно сюда подтянутся те кто обладает достаточным опытом и способностью делиться им с другими не через призму своего величия.

Понимаете, ведь вопрос-то стоит не в том, какая связь межу ΔB и j и выделяемым теплом, а в том что у нас с Вами два разных подхода к методике проектирования. Ваш - рассчитываем основные параметры будущего девайса, а дальше пусть снабженец колотится как хочет. Мой - имеем то, что имеем в ящике стола и вот это имеющееся надо обсчитать как можно точнее, а затем уже решаем, что из него может получиться. Методики же в основном пользуются вашим методом, поскольку они в основном все забугорные. Я же хочу их адаптировать к нашим реалиям. Кстати, если все будет развиваться так как сейчас, то и Вам придется скоро пересмотреть свои методы проектирования. TDK в своих расчетах оперирует новеньким, только что испеченным ферритом и ей абсолютно фиолетово какое значение ΔB может себе позволить то, что лежит у Вас на столе. В чем собственно и суть наших с Вами противоположных позиций в расчетах. А вот когда ваш снабженец придет и скажет, что вместо TDK B32656 есть только СВВ81 и то не факт, что СВВ, вот тогда и координаты того пространства где обитает наше "большинство" для Вас станут более отчетливыми.

Похоже надо прекращать эту дискуссию, поскольку не Вы меня ни я Вас так и не можем обратить в свою веру. Единственное хочу заметить, что на стр.22 вышеназванного апнота приводится формула расчета габаритной мощности трансформатора Ptrans = C ΔB fAe ⋅ AN ⋅ j, которая за небольшими нюансами полностью совпадает с так не любимой Вами формулой ( в основном на посмотреть) габаритной мощности Ргаб=4Кф*Кок*Кзс*J*Bm*Fраб.*n*Sст.*Sок. А по теплу я тоже считаю, но потом, после определения с габаритами. Если не устраивает, беру больший размер, либо добавляю охлаждение, но уже точно знаю, что все обмотки разместятся в окне. А это кстати и ответ на первый вопрос почему не по теплу. Да, по формуле Ptrans = C ΔB fAe ⋅ AN ⋅ j мощность получается под 8 кВт, да вот только обмотки не хотят влезать в меньший размер, ведь в вышеприведенной формуле совсем не говорится для каких плотностей тока производился расчет и материал N87 и частота 100 кГц, а если мне надо для 30 кГц и материал бог весть откуда? Вот и получается, что рассчитывая трансформатор по вышеназванной апноте и имея вагон разнотипного железа мы уподобляемся ЕГЭ - поставь крестик, где считаешь необходимым. Ведь за тебя уже все просчитали, ну а если жахнет или закипит - значит не там крестик. А я и не говорил про сотню килогерц, у меня десятки килогерц. А вот определение максимального значения Bm для конкретного материала и частоты, все равно надо делать ручками на стенде, так что теория здесь мало поможет. Да и потом, массо-габаритный критерий стоит для большинства на 22 месте. Практической пользы от этих кривых для большинства - ноль, поскольку у вас с Payton тогда должен быть общий ящик с этим самым железом.

Похоже мы ходим кругами вокруг одного и того же. Вот Вы сказали - предполагаемых Ae (тогда уж предполагаемой Ae поскольку это площадь сечения сердечника), а из чего предполагаемой то? Ведь мы находимся на этапе, когда определены только параметры резонансного контура Lr, Cr, Lm, Ir и все, больше пока ничего нет (согласно методике AN1160). А вот мощность, отдаваемая в нагрузку как раз таки задана изначально. В свою очередь Pн очень даже хорошо трансформируется в Ргаб. железа трансформатора через КПД. Теперь зная Ргаб. можно определиться с произведением Sст.*Sок. Вот откуда у нас и появляется предполагаемое значение Sст. т.е Ae, ну а далее имея Ae можно определиться уже и с Np по известной формуле. Такова логика моего нахождения предполагаемого значения Ae. Если я в чем то ошибаюсь поправьте. Ну TDK может и не выпускает, но я могу Вам назвать как минимум три наших конторы, которые пекут ферриты вплоть до Е193, правда на Е193/60 они немного халтурят склеивая его из 2 х Е193/30, но это уже мелочи. Тут пожалуй надо пояснить. Расчетное значение Lr=55мкГн, Lm=275 мкГн, это то, что должно быть в составе контура, а вот расчетное значение индуктивности 26 витков (определенных по формуле (Np= Vin*Dmax/Bm*Ae*Fmin), намотанных на сердечнике Е110 без зазора дают Lm=25 мГн. После намотки замеряю индуктивность, да где то около 25 мГн получилось и теперь мне эту индуктивность надо понизить зазором до 275 мкГн. И вот тут непонимание. С одной стороны формула Np= Vin*Dmax/Bm*Ae*Fmin требует чтобы для данного железа, входного напряжения и частоты я намотал 26 витков, но намотав их я получаю Lm=25 мГн и чтобы понизить ее мне надо ввести зазор. Вроде все логично, да вот только зазор этот, согласно моему измерителю должен быть 37мм. О чем я и вопрошаю в который раз. Вот тут поясните пожалуйста, что за критерий по теплу? Я Bm задаю просто равной 0,2, чтобы не зайти в область насыщения. Практически это безопасное значение для всех марок ферритов.

Вообще - то W это общепринятое обозначение витков, но Вы правы, уж если ссылаться, то обозначения лучше брать с оригинала. Тогда W это Np -количество витков первичной обмотки, а I1 это ток намагничивания первички (кстати это обозначение из оригинала). Я же написал - у меня мост, значит где присутствует Uin/2 у меня будет Uin. Посредством Bm=Мю*Мю0*I*Np/le , но Вы наверное имеете в виду Bнас. Для этого есть небольшой стендик, где я могу посмотреть не только Bmax, но и погонять кольца для ТГР в купе с входной емкостью силовых транзисторов, да много еще чего. Да, я тоже так думаю, однако практика говорит о другом. А вот в этом вопрос и мой, и топикстартера тоже, который так и висит не выясненным с самого начала ветки. Ведь габариты мы выбираем по Pнаг. и токам первички, чтобы влезли обмотки, а потом по выбранным габаритам определяем Np. И вот после расчета и намотки трансформатора на Е110 (что правда не знаете что такое Е110 или прикалываетесь?) у меня расчетное Np=26 при Sст.=13 см.кв, Lm без зазора получилась 25 мГн, что вполне соответствует расчетной. И вот теперь чтобы понизить ее до 275 мкГн (по расчету LLC контура) я должен установить зазор в 37 мм под каждый керн (так показывает LC-метр). Раньше я не измерял приборно, просто выставлял требуемый и все, а тут решил измерить и остался в легком недоумении.

Я бы расписал, да вот как вставить сюда двухэтажные формулы не знаю. Попробую словами. Расчет практически по AN1160 ( русский перевод от Ю. Новикова и М. Соломатина - с оригиналом сверялся ) включая расчет W и I1, с небольшой коррекцией формул потому что у меня мост. Дальше имея Рн, W и ток первички I1, определяюсь с габаритами трансформатора. Почему не из даташита габариты? Да потому что у меня, как и у большинства бог знает какой феррит с какими параметрами. Поэтому определяю его Al и мю экспериментально, затем рассчитываю внешнюю резонансную индуктивность как дроссель переменного тока. Дальше зазорами подгоняю индуктивности под требуемые (с учетом проходящего тока и Bmax). После изготовления ввожу поправку в Lr с учетом Lрасс. Вот пожалуй и вся методика. Выплыла еще одна проблема. Никогда раньше не мерил полученное значение Lm после введения зазора, просто выставлял рассчитанный. Сейчас замерил. Получается, что при 26 витках первички на Е110, чтобы достичь 275 мкГн мне зазор пришлось выставить 37 мм под каждый керн. Бред какой-то или это неспособность моего LC-метра мерить индуктивности с зазором? В качестве LC-метра у меня китайский измеритель вроде бы LC-100A называется. Воздушные эталоны измеряет правильно.

Надо отдать должное, с Вашей именно с Вашей помощью вопросов практически не осталось. Хотя и другие участники тоже немало помогли. Только получилось это как всегда и на всех форумах - "через выхлопную трубу". Я же в самом начале писал, что физика и сам процесс расчета LLC хоть и с корявым переводом, но разобрать можно. Вопросы возникают в деталях, которые в разных документах отличаются. Вот я и хотел все выяснить и составить ясную картину процесса расчета. Понимаете начинающий всегда и везде обращает внимание на то, что для "просвещенных" либо не представляет проблем и они это просто не замечают и идут дальше, либо разобравшись в вопросе в силу своей занятости не утруждаются где то осветить, либо пишут всякие калькуляторы. С одной стороны это вроде помощь, но с другой Вы ведь рубите сук на котором сидите, ибо поколение on-line не способно к собственному анализу и просто некому будет продолжить, а Вы не вечны. Процесс такой же как описан в апнотах, ничего нового, просто я собираюсь русским языком описать все то, что для подготовленного не представляет никакого интереса, а для начинающего является камнем предкновения. Так что всем огромное спасибо и творческих успехов. А раздел о выборе "железа" все таки будет писаться не от утюга.

Я же писал что "при определении Mmax и Rэкв" и отнюдь не пытался вычислять n даже в первом знаке после запятой. какое то кривое зеркало получается. Понимаете, по уму все инструкции, и апноты в том числе, должны разрабатываться для людей которые только начинают знакомиться с темой. И там должно быть все логично, прозрачно и доведено до логического завершения, а знакомишься с этими творениями и оторопь берет. Для кого писались, для себя, для подобных себе? Форум для этого и существует чтобы с коллективной помощью правильно, доходчиво и полно разобраться в поставленных вопросах. А умничать на тему "расчетов по теплу не надо". Расчет любого ИИП это кропотливый и тонкий процесс со множеством нюансов. Сами то Вы когда рассчитываете ИИП любой топологии привлекаете все свои знания и опыт и небось не одна страница с формулами исписана. А как касается помощи начинаются "расчеты по теплу" и прочий треп не о чем. Да пока вы со своей универсальной формулой Bs*N*Ae>Ei*Ti и расчетами мощности трансформатора по теплу будете разрабатывать ИИП у вас накопится не один мешок горелых транзисторов. Если у Вас хобби такое или контора все оплатит ваше дело, но таким как я это никак не подходит. Вот инструкция (апнот) и должна решить эту задачу я и пытаюсь разобраться во всех нюансах, а затем выложить для начинающих логичную и полную инструкцию по разработке LLC инверторов. А то понаписали калькуляторов, тыкай в кнопочки и радуйся, если повезет. Или в ваши планы не входит, чтобы и другие разобрались в этом вопросе?

Да, а я то наивный считал, что в первую очередь она зависит от рабочей частоты и плотности тока в обмотках. А так получается трансформатор для бронепоезда. По логике да, но это уже третий вариант расчета n, а если учесть что значащим разрядом во всех этих расчетах является второй после запятой, то при определении Mmax и Rэкв становится совсем грустно. В том то и дело, что все последующие расчеты после расчета W и Irmax нигде вообще не рассматриваются в контексте предыдущей публикации. О чем я собственно и задавал вопрос Но ведь процесс расчета не заканчивается на W и Irmax, и очень важно правильно определиться с "железом", а они как по команде переходят к расчетам обвязки. У них то может и нет проблем с номенклатурой "железа", а у нас, когда у тебя в ящике стола лежит пара Е42 совсем не лишним было бы более подробно разобрать этот вопрос.

Это у Вас игра такая? Я бы конечно мог отправить к первоисточникам... Ну да ладно, остановимся на 1982 году К.Б. Мазель "Трансформаторы электропитания" стр.39. Тогда в силовой электронике все было гармоническим.