Technologie

Elementy indukcyjne w energoelektronice pracują w warunkach obecności prądów wyższych harmonicznych oraz prądów o częstotliwościach wynikających z kluczowania półprzewodników. Przykładami zastosowań są indukcyjności pasywnych i aktywnych filtrów oraz dławiki silnikowe, pracujące na wyjściu przemienników częstotliwości [1,2]. Trudne warunki pracy dławików wywołują szereg problemów technicznych. Dławiki indukcyjne są często źródłem hałasu, zakłóceń elektromagnetycznych i nadmiernych strat mocy. Artykuł przedstawia własności dławików z rdzeniami wieloszczelinowymi wykonanymi w innowacyjnej technologii ElhandCutCore^TM przeznaczonych do pracy w aplikacjach energoelektronicznych.

Strumień rozproszenia dławika

Złożonym zagadnieniem projektowym jest prawidłowe określenie strat mocy dławika. Powodem trudności jest występowanie strumienia rozproszenia wokół szczelin powietrznych w rdzeniu. Strumień ten wywołuje dodatkowe straty mocy w rdzeniu, elementach konstrukcyjnych rdzenia a nawet w uzwojeniu dławika.W skrajnym przypadku rozproszenie dławika może być tak duże, iż strumień rozproszenia będzie sprzęgał się z ferromagnetycznymi elementami znajdującymi się w pobliżu dławika (np. obudowa) wywołując w nich straty mocy. Straty tak powstające mogą mieć charakter wiroprądowy i histerezowy [3]. Klasycznym rozwiązaniem technologicznym ograniczającym straty w rdzeniu jest zastosowanie materiału magnetycznego o bardzo wąskiej pętli histerezy co zapewnia niskie straty histerezowe oraz pakietowanie rdzenia z izolo-wanych blach o możliwie małej grubości w kierunku przebiegu strumienia. Taka technologia doskonale sprawdza się w rdzeniach transformatorowych. W przypaku rdzeni dławików gdzie mamy do czynienia z nieciągłością rdzenia w miejscach szczelin powietrz-nych samo pakietowanie i dobry materiał magnetyczny już nie wystarcza. W obszarach przyszczelinowych występuje zmiana kierunku przebiegu strumienia, a tym samym bardzo intensywne generowanie strat o podłożu wiroprądowym w materiale rdzenia, uzwojeniu oraz elementach przewodzących znajdujących się w zasięgu strumienia [4, 5].
Liniowść charakterystyki magnetycznej dławika jest ważnym parametrem użytkowym. Osiągnięcie wymaganej liniowości wymusza zastosowanie szerokich szczelin powietrznych w rdzeniu, co prowadzi do zwiększenia strat mocy i wzrostu temperatury, zwłasz-cza w obszarach przyszczelinowych. Występowanie znacznych różnic temperatury pomiędzy poszczególnymi obszarami rdzenia, uzwojenia czy konstrukcji dławika jest bezpośrednim następstwem powstawania w nich dodatkowych stat mocy. W przypadku klasycznych konstrukcji rdzeni dławikowych niełatwo wyznaczyć wartości strat i temperatury metodami analitycznymi. Trudno wyliczalne dodatkowe straty mocy związane z nadmiernym strumieniem rozproszenia wokół szczelin, którego źródłem są prądy o częstotliwościach harmonicznych i modulacji PWM, mogą przewyższać straty podstawowe występujące w rdzeniu i uzwojeniu dławika.
Na rdzeń magnetyczny przemagnesowywany okresowo działają siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Siły wytwarzają zmienne naprężenia w blachach rdze-nia i wywołują drgania elementów konstrukcji, czego konsekwencją jest fala akustyczna wokół dławika [6]. Wielkość sił magnetycznych i magnetostrykcyjnych zależy od maksymalnych, lokalnych wartości indukcji magnetycznej, szczególnie w obszarach gdzie występują zaburzenia kierunku przebiegu strumienia w rdzeniu. Lokalnie w rdzeniu może dochodzić do znacznego wzrostu indukcji. Okresowe nasycanie fragmentów magnetowodu i związane z tym tworzenie się lokalnych ognisk strat i drgań są trudne do opanowania bez dokładnej analizy modelu cieplnego dławika i rdykalnych zmian w technologii produkcji rdzeni.

Rdzeń w technologii ElhandCutCore^TM

W wyniku prac rozwojowych i badań prowadzonych w firmie ELHAND Transformatory Sp. z o.o., powstała innowacyjna technologia produkcji rdzeni wieloszczelinowych ElhandCutCore^TM. Wieloletnia praktyka produkcyjna oraz analizy rozkładu pola magnetycznego w rdzeniu pozwoliły stworzyć technologię produkcji rdzeni dławikowych, znacznie ograniczającą lub całkowicie eliminującą wszystkie wymienione problemy techniczne.

Rys.1 Przebieg stumienia w rdzeniu: a) stan-dardowym, b) wieloszczelinowym  ΦG-strumień główny, ΦR-strumień rozproszenia

Rdzeń wykonany w technologii ElhandCutCore^TM pozwala uzyskać stałą wartość indukcyjności w szerokim zakresie zmian prądu dławika (liniowość magnetyczną), ogranicza hałas generowany przez dławik oraz eliminuje zewnętrzne pole magnetyczne. Dzięki czemu zmniejszeniu ulegają straty dodatkowe w rdzeniu, uzwojeniu i elementach konstrukcyjnych. Rozmieszczenie w rdzeniu odpowiedniej sekwencji szczelin powietrznych w połączeniu z precyzyjnym wyznaczeniem ich szerokości pozwala kształtować rozkład pola elektromagnetycznego wewnątrz i na zewnątrz rdzenia (Rys.1). Podział szczeliny powietrznej zmniejsza niekorzystne oddziaływanie strumienia rozproszenia oraz pozwala uzyskać równomierny rozkład indukcji w rdzeniu dławika.
ELHAND Transformatory Sp. z o.o. produkuje wysokiej jakości, niskostratne dławiki z rdzeniami wieloszczelinowymi w technologii ElhandCutCoreTM znajdujące zastosowanie min.w energoelektronice, przemyśle górniczym, transporcie kolejowym, energetyce wiatrowej.

Literatura

1. Łukiewski M., Dławiki silnikowe, Wiadomości Elektrotechniczne, 3 (2001)
2. Morozow I., Łukiewski M., Dławiki współpra-cujące z energooszczędnymi przemiennikami częstotliwości., Napędy i Sterowanie, 5-6 (2005)
3. Dąbrowski M., Analiza obwodów magnetycz-nych. Straty mocy w obwodach. PWN, Po-znań(1981)
4. Roshen W. A. Fringing Field Formulas and Winding Loss Due to an Air Gap, IEEE Trans. on Magn., vol.43, no.8 (2007)
5. Bossche A., Cekov Valchev V., Improved cal-culation of winding losses in gapped inductors, Jurnal of Applied Physics 97, 10Q703 (2005)
6. Łukiewski M., Hałas dławików indukcyjnych, Napędy i Sterowanie, 12 (2008)

Pobierz w formacie pdf

Z początkiem roku 2015 dokonaliśmy uruchomienia
"STANOWISKA DO BADANIA TRANSFORMATORÓW ŚREDNIEGO NAPIĘCIA"
Wyposażenie stanowiska zostało zakupione w renomowanych firmach HAEFELY HIPOTRONICS (CH) i TELAB (PL).
Stanowisko pozwala na dokonywanie :

1. próby wytrzymałości izolacji napięciem probierczym,
2. próby wytrzymałości izolacji napięciem indukowanym,
3. pomiaru rezystancji uzwojeń,
4. pomiaru rezystancji izolacji,
5. pomiaru przekładni i sprawdzenie grupy połączeń,
6. pomiaru strat jałowych i prądu jałowego,
7. pomiaru impedancji zwarcia i strat obciążeniowych,
8. pomiaru wyładowań niezupełnych z czułością rejestracji poniżej 1 pC,
9. próby nagrzewania,
10. pomiaru poziomu emitowanego szumu akustycznego z tłumieniem poziomu tła 40 dB
    czasem zaniku pogłosu 0,15 sec.