Многофункциональные ферромагнитные устройства

Природа многофункциональности ферромагнитных нелинейных элементов.

Переход к созданию многофункциональных электронно-магнитных компонентов, или функциональная интеграция элементной базы, является одним из действенных способов совершенствования электронной аппаратуры. При компонентной многофункциональности в одном компоненте интегрируется нескольких одновременно выполняемых функций. Проблема многофункциональной интеграции полупроводниковых компонентов была решена разработкой и внедрением в электронную аппаратуру интегральных микросхем. Дальнейшее развитие функциональной интеграции было направлено на создание многофункциональных магнитных радиокомпонентов (ММРК). Первые промышленные образцы ММРК (паратрансы, употрансы, трансфазовращатели и др.) появились в 1970;е гг. Основные конструктивно-технологические процессы изготовления ММРК освоены серийной промышленностью и не отличаются от трансформаторных и конденсаторных изделий. Технико-экономическая эффективность применения ММРК в силовых устройствах подтверждена научными исследованиями и практическими реализациями в нашей стране, США, Франции, Германии и Японии. При использовании ММРК в источниках электропитания уменьшаются габариты, масса, стоимость, расход дефицитных материалов, трудоемкость изготовления, повышается надежность, улучшаются качественные показатели устройства [26].

Благодаря потенциальной способности преобразовывать энергию без потерь НРЭ обладают широкими функциональными возможностями (см. параграф 8.1). С точки зрения функциональной интеграции ферромагнитные нелинейные элементы (ФНЭ) по сравнению с другими типами НРЭ обладают дополнительными возможностями, которые обусловлены:

• • особенностями протекающих в них физических процессов и принципом работы ФНЭ, который состоит в преобразовании подводимых к входной обмотке электрических колебаний в циркулирующий по магнитопроводу магнитный поток и обратном преобразовании магнитного потока в электрические колебания, снимаемые в общем случае с другой (выходной) обмотки. Наличие в ФНЭ нескольких обмоток обеспечивает гальваническую развязку входной и выходной цепей электронного устройства, позволяет создать многофазную систему напряжений (по сути дела, многофазный источник напряжения), реализовать операции сложения и вычитания и выполнить ряд других функций;
• • конструктивными особенностями, позволяющими объединить в одну конструктивную единицу несколько магнитопроводов, создать магнитопровод с расположением обмоток, обеспечивающих сложную структуру поля (например, вращающееся или ортогональное поле). Как показано ниже, ФНЭ с ортогональными полями обладает свойствами балансных схем;
• • на ферромагнитной основе могут быть созданы НРЭ начиная от промышленных частот до СВЧ-диаиазона, чему способствует широкий ассортимент ферромагнитных материалов (стали, пермаллои, ферриты).

На основе ФНЭ могут быть построены многофункциональные устройства, одновременно выполняющие такие функции, как трансформация и стабилизация напряжения, фильтрация побочных гармоник, преобразование числа фаз, защита от перегрузок, развязка цепей по постоянному току, генерирование колебаний основной частоты, умножение или деление частоты, управление параметрами гармонических колебаний и др.

Рассмотрим несколько возможных применений ФНЭ в качестве многофункциональных устройств.

Ферромагнитные элементы с ортогональными полями и устройства на их основе. Ферромагнитные элементы с ортогональными полями (ФЭ с ОП) выполняются в виде трансформаторов на магнитопроводах специальной конструкции. При использовании электротехнических сталей используется представленная на рис. 8.21, а конструкция из двух развернутых на 90° и состыкованных вместе U-образных магнитопроводов. На рис. 8.21, б показаны.

Рис. 8.21. Трансформатор на U-образных магнитопроводах (а) и структура поля в магнитопроводах (б).

магнитные потоки, позволяющие выделить участки с ортогональными полями, возбуждаемыми токами входной и выходной обмоток.

Более широкими возможностями обладают ферриты, позволяющие изготавливать магнитопроводы различной конфигурации с ортогонально взаимодействующими полями в полном объеме ферромагнетика, например в виде челнока (рис. 8.22, а) и битора (рис. 8.22, б).

Рис. 8.22. ФНЭ на магнитонроводах тина челнок (а) и битор (б).

Ниже рассматривается обобщенная схема устройств на ФЭ с ОН (рис. 8.23, а), которые в зависимости от настройки колебательного контура способны генерировать колебания основной частоты (/7 =1), умножать (п = 2) и делить (п = ½) частоту входных колебаний в два раза.

Рис. 8.23. Схема устройства на ФЭ с ОП (а) и векторная диаграмма (б) взаимодействия полей в трансформаторе.

Общие соотношения. Ферромагнитный элемент с ОП представлен на рис. 8.23, а в виде трансформатора с взаимно перпендикулярными обмотками: входной w_x и выходной w . Будем полагать, что:

• материал магнитоировода (ферромагнетик) является однородным и изотропным;

• зависимость напряженности магнитного поля от индукции представляет собой однозначную функцию h = F (b). Для конкретности примем

• во всем объеме материала существуют взаимодействующие ортогональные поля (рис. 8.23, б), для которых справедливы следующие соотношения:

где b_x, b_y, h_x, h_y — индукции и напряженности магнитного ноля во входном (Ох) и выходном (0у) направлениях ферромагнетика; b, h — результирующие индукция и напряженность магнитного поля, действующие в произвольном, но одном направлении.

Для схемы на рис. 8.23, а на ферромагнетик воздействуют индукции Ь_х, Ь_у, откликом являются напряженности магнитного поля, выражения которых с учетом соотношений (8.19) и (8.20) имеют следующий вид:

Полагаем, что индукции в направлениях Ох и 0у изменяются по гармоническому закону:

где В_х,_со, В — амплитуды индукций, действующих во входном и выходном направлениях; со — частота входных колебаний; п = = 1, 2 или ½; Ф — начальная фаза выходной индукции, В_у0 — постоянная составляющая индукции.

Для анализа схемы на рис. 8.23, а необходимо располагать составляющими откликов на входной и выходной п частотах в виде суммы синфазной и квадратурной составляющих.

Используя соотношения (8.22), (8.23) и известные связи между электрическими и магнитными величинами.

где w_x, w_y — число витков входной и выходной обмоток; l_x, l_y, S_x, S_y — средняя длина магнитной силовой линии и сечение магнитопровода во входном и выходном направлениях, можно получить выражения для входных и выходных напряжений и токов.

I.

Напряжения и токи (8.24) позволяют определить активную входную и выходную мощности, а также активные и индуктивные проводимости ФНЭ на входной и выходной частотах:

На основании гармонического баланса мощностей устройство на рис. 8.23, а можно представить схемой замещения, которая изображена на рис. 8.24, при этом:

• • активная проводимость G_x > 0 отражает отбор активной мощности от источника входного напряжения и_х, a G_y < 0 — передачу мощности в выходную цепь или компенсацию активной проводимости G нагрузки;
• • L_xX и L_yn — эквивалентные индуктивности, определяющие вносимую расстройку во входную и выходную цепи устройства.

Рис. 8.24. Схема замещения устройства на ФЭ с ОП в виде двух подсхем на частотах со и исо

Используя соотношения (8.24) —(8.27), можно выполнить анализ схемы, изображенной на рис. 8.24 и определить все интересующие показатели устройства для конкретных условий.

Генератор основной частоты (п = 1). Генераторы относятся к силовым устройствам, позволяющим осуществить трансформацию напряжения (тока), стабилизацию амплитуды выходных колебаний, защиту от перегрузок, двустороннюю фильтрацию [26].

Используя соотношения (8.19)—(8.27), определим активную мощность, трансформируемую ФНЭ из входной цепи устройства в выходную, как.

где V = S_rl_x = SJ_y — объем магнитопровода.

Отметим, что Р не зависит от постоянной составляющей индукции (8.22). Для этого случая выражения (8.27) активных и реактивных проводимостей ФЭ с ОП имеют вид

Для выявления особенностей рассматриваемого устройства ограничимся уравнениями баланса мощностей на выходной частоте, которые имеют следующий вид:

Наилучшим условиям передачи мощности в выходную цепь соответствует Ф = к/4. Для самовозбуждения колебаний необходимо, чтобы в начальный момент выполнялось следующее неравенство:

По мере нарастания амплитуды выходных колебаний начинает действовать расстроенный механизм, происходит уменьшение фазового угла Ф, и система переходит в стационарный режим, в котором выполняются уравнения (8.30).

Удвоитель частоты (и = 2). Выражение преобразуемой мощности и уравнения для стационарного режима схемы, изображенной на рис. 8.24, на выходной частоте 2со имеют вид.

где Ф > 0;

Для удвоителя частоты условие самовозбуждения.

выполняется. По мере роста амплитуды В выходного колебания система постепенно переходит в стационарный режим, в котором выполняются вышеприведенные уравнения для стационарного режима схемы.

Делитель частоты в два раза. Если частоту источника принять равной 2со, а выходную частоту — со, т. е. поменять местами источник и нагрузку, то в выражении преобразуемой мощности (8.32) знак фазового угла Ф изменится на противоположный. Уравнения стационарного режима на выходной частоте со имеют вид.

/.

Мощные ферромагнитные умножители частоты. Особенности ферромагнитных умножителей рассмотрим на примере увосьмерителя частоты, представляющего большой практический интерес. Увосьмеритель частоты содержит восемь магпитопроводов, на которых расположены входные и выходные обмотки, а также обмотки цепи подмагничивания постоянным током и холостого контура (рис. 8.25, а).

Входные обмотки объединены в три цепи, соединенные по схеме «звезда» и подключенные к входам А, В, С трехфазного источника напряжения с частотой со. Совокупность входных обмоток представляет собой преобразователь числа фаз. Витки обмоток выбираются таким образом, чтобы путем векторного сложения создаваемых ими магнитодвижущих сил преобразовать трехфазную систему напряжения в симметричную восьмифазную систему. Принцип выбора витков проиллюстрирован с помощью векторной диаграммы на рис. 8.25, б, где также приведены их численные значения, отнесенные к некоторой базовой величине w.

Поскольку на основной частоте со магнитные потоки в магнитопроводах сдвинуты на 45°, создаваемые ими при умножении в восемь раз напряжения на выходных обмотках напряжения совпадают по фазе. Поэтому все выходные обмотки имеют одинаковое число витков, включены последовательно согласно и образуют совместно.

Рис. 8.25. Схема увосьмерителя частоты (а) и векторная диаграмма формирования восьмифазной системы магнитодвижущих сил (б).

с конденсатором С выходную цепь умножителя, настроенную на частоту 8(о.

Необходимость цепи подмагничивания постоянным током в умножителях частоты с четной кратностью обусловлена тем, что характеристика ферромагнитного материала является нечетной функцией. Все обмотки подмагничивания также имеют одинаковое число витков, включены последовательно согласно, и на них присутствует напряжение с частотой 8со. Для уменьшения токов с частотой 8со (а следовательно, и потерь полезной мощности) в цепь подмагничивания включен фильтр-пробка (?_ф, С_ф), настроенный на выходную частоту.

Для повышения эффективности умножения в увосьмерителе частоты используется холостой контур, настроенный на частоту 4(0. Магнитные потоки с частотой 4(о в магнитопроводах 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7, 4 и 8 сдвинуты на 180°, поэтому расположенные на них обмотки включены встречно, что позволяет арифметически сложить создаваемые на всех обмотках напряжения.