Technologie

Straty mocy w rdzeniach dławików energoelektronicznych

Energoelektroniczne elementy indukcyjne pracujące w obecności wyższych harmonicznych napięcia i prądu są źródłem dużych strat. W dławikach rdzeniowych przyczyny nadmiernych strat mocy występują najczęściej w niedoskonałości konstrukcji rdzenia. Znaczna część strat powstaje w obwodzie magnetycznym. Firma TRAFECO posiada w ofercie dławiki rdzeniowe o nowoczesnej konstrukcji budowane w oparciu o niskostratne materiały magnetyczne z jednoczesnym wykorzystaniem technologii CoreECOTM ograniczającej straty mocy.

Straty w rdzeniach dławików

Istnieje wiele modeli opisujących mechanizmy powstawania strat w materiałach magnetycznie miękkich. Pierwsze modele strat oparte zostały o opis oddziaływania pola magnetycznego na strukturę domenową [1-4]. Dopiero ich modyfikacje oraz stochastyczne podejście do zjawisk wywołujących straty energii w materiałach magnetycznie miękkich dały dostateczną zgodność wyników pomiarowych i obliczeń [5,6].

W ostatnim czasie zostało zaprezentowane (Sokalski i in.) nowe podejście do opisu zjawisk strat energii w oparciu o teorię skalowania. Jest to uniwersalny model opisujący zjawiska wywołujące straty energii [7].

Modele opisujące straty w materiałach magnetycznych najczęściej odnoszą się do warunków laboratoryjnych gdzie jednorodna próbka materiału magnesowana jest w jednorodnym polu o przebiegu sinusoidalnym z określoną częstotliwością. W układach rzeczywistych obwód magnetyczny nie jest jednorodny, występują wymuszenia złożone często z kilkunastu składowych o wyższych częstotliwościach harmonicznych. Przemagnesowanie często jest niesymetryczne gdzie nakładają się stałe pole magnetyczne oraz kilka pól zmiennych o różnych częstotliwościach.  Podczas pracy dużych elementów indukcyjnych występuje dodatkowo znaczące oddziaływanie termiczne na rdzeń dławika w postaci cewek, które podczas pracy osiągają wysokie temperatury. Cewki ponadto utrudniają przepływ energii strat powstających w rdzeniu do otoczenia. Wpływają w ten sposób na wzrost temperatury rdzenia, czyli pośrednio na wysokość strat w samym materiale rdzenia.

Straty mocy w dławikach powstają nie tylko w obwodzie magnetycznym ale również w elektrycznym a nawet elementach konstrukcyjnych i  materiałach izolacyjnych. Przy założeniu stałych strat całkowitych dławika można projektować dławiki o różnej proporcji strat w rdzeniu i uzwojeniu uzyskując za każdym razem urządzenia o różnej masie i gabarytach. Podczas projektowania minimalizuje się funkcję celu opisującą wybrane kryterium optymalizacji. Często kryterium projektowym jest uzyskanie minimalnej masy elementu lub najmniejszych strat.

Do wyliczeń na poziomie technicznym dla złożonych konstrukcyjnie obwodów magnetycznych (Rys.1) można przyjąć umowny podział strat na dwie składowe: straty histerezowe proporcjonalne do częstotliwości magnesowania oraz straty proporcjonalne do kwadratu częstotliwości zwane wiroprądowymi:

Proporcjonalnie zależne od częstotliwości przemagnesowania i wartości indukcji straty histerezowe zawierają część podstawową związaną z wolnozmienną statyczną pętlą histerezy, proporcjonalną do jej pola oraz część dodatkową wywołaną narastającymi czasami relaksacji w magnetyku podczas magnesowania z wyższymi częstotliwościami.

Rys. 1. Dławik kompensacyjny z rdzeniem w technologii wieloszczelinowej CoreECO™.

Straty mocy powodowane przez zjawiska relaksacyjne w magnetyku i prądy wirowe są wzajemnie powiązane. Przepływ prądów wirowych zmienia rozkład indukcji w materiale magnetycznym wpływając na wartość strat z histerezy. Zjawisko histerezy natomiast oddziałuje na wartość strat wiroprądowych będących funkcją magnetycznej przenikalności różniczkowej materiału. Przenikalność ta zależy od kształtu pętli histerezy i zmienia się wzdłuż jej przebiegu. Wzajemne zależności składników strat w zasadzie uniemożliwia dokładne analityczne wyliczenie i rozdział strat na składowe [1].

Rys. 2. Ilustracja konstrukcji dławika z rdzeniem w technologii wieloszczelinowej CoreECO™ ograniczającej straty w dławikach.

Straty mocy w rdzeniach dławików wylicza się na podstawie, wyznaczonych doświadczalnie dla jednostki masy określonego materiału magnetycznego, współczynników stratności przy założeniu przemagnesowania osiowego, jednorodnym polem magnetycznym o określonej częstotliwości. Podczas obliczeń stosuje się współczynniki strat dodatkowych uwzględniające występowanie czynników rzeczywistych związanych z konstrukcją rdzenia i dławika.

W zależności od aplikacji, w której dławik pracuje wielkością wymuszaną w obwodzie magnetycznym może być indukcja magnetyczna lub natężenie pola magnetycznego. Przebieg indukcji lub natężenia pola często jest odkształcony na skutek obecności harmonicznych napięcia lub prądu, które skutkują wzrostem wartości indukcji maksymalnej lub maksymalnego natężenia pola (tzw. wierzchołkowy przebieg tych wielkości) co znacząco zwiększa straty histerezowe. Harmoniczne indukcji lub natężenia pola o wysokich częstotliwościach potęgują powstające w rdzeniu straty wiroprądowe.

Rzeczywisty rozkład przestrzenny indukcji w rdzeniu dławika nie jest laminarny a zaburzenia wynikają z konstrukcji i niesymetrii rdzenia. Wprowadzane celowo nieciągłości rdzenia w postaci szczelin powietrznych wywołują zmiany kierunku przebiegu strumienia i jego lokalne zagęszczenia. Technologia produkcji materiału magnetycznego a następnie technologia wykonania samego rdzenia silnie wpływa na wartość rzeczywistych strat występujących w rdzeniu dławika. Naprężenia mechaniczne oraz oddziaływania cieplne na materiał rdzenia również wpływają na wartość strat mocy.

Technologia CoreECOTM

Straty mocy w dławikach energoelektro-nicznych zależą silnie od amplitud i  częstotliwości składowych prądu dławika. Wielkość strat mocy w dławikach równie silnie determinowana jest konstrukcją rdzenia i uzwojenia. Brak ciągłości rdzenia w dławiku jest powodem występowania przy szczelinowego magnetycznego strumienia rozproszenia. Strumień ten wywołuje dodatkowe straty wiroprądowe i histerezowe w elementach konstrukcyjnych dławika i uzwojeniu.

Rys. 3. Trójfazowy niesymetryczny rdzeń wieloszczelinowy wykonany z blachy transformatorowej.

Zasięg oddziaływania przyszczelinowego strumienia rozproszenia zależy silnie od szerokości zastosowanych w rdzeniu szczelin powietrznych [8]. W przypadku szerokich szczelin w rdzeniu może dochodzić do magnetycznego sprzężenia strumienia rozproszenia z ferromagnetycznymi konstrukcjami znajdującymi się w bezpośrednim otoczeniu dławika. Tego typu indukcyjne straty generowane w pobliskich ferromagnetycznych elementach będą powodowały wzrost prądu obciążenia dławika.

Typowa konstrukcja rdzenia dławikowego zakłada wprowadzenie w obwód magnetyczny kilku szczelin powietrznych. Rdzeń najczęściej wykonany jest z ciętych elementów blachy transformatorowej o niskich stratach i możliwie niewielkiej grubości blachy w kierunku przebiegu strumienia. Pozwala to ograniczyć straty histerezowe, wiroprądowe oraz w przypadku wymuszeń średnich częstotliwości również zjawisko wypierania strumienia.

W przypadku dławików energoelektronicznych większych mocy, dławików filtrów harmonicznych, gdzie ważnym parametrem technicznym jest liniowość charakterystyki magnetycznej L(I), konstrukcja rdzenia zakłada istnienie szerokich szczelin powietrznych pozwalających kształtować charakterystykę dławika. Poszczególne fragmenty materiału magnetycznego rdzenia pracują w różnych warunkach. Jest to spowodowane nierównomiernym rozkładem indukcji w rdzeniu oraz zaburzonym kierunkiem przebiegu strumienia. W rdzeniach budowanych z blach transformatorowych anizotropowych zależy nam na kształtowaniu przebiegu strumienia magnetycznego w kierunku równoległym do kierunku walcowania (najlepsze własności blachy), co pozwala osiągnąć najmniejsze straty histerezowe.

Rys. 4. Wieloszczelinowy, dwukolumnowy rdzeń z materiału nanokrystalicznego.

Nowoczesne materiały o strukturze amorficznej czy nanokrystalicznej stosowane w dławikach dla energoelektroniki (Rys.4) są przeważnie izotropowe i zmiana kierunku przebiegu strumienia nie będzie powodowała wzrostu strat histerezowych. Zaburzenia kierunku strumienia w rdzeniu będą jednak silnie wpływać na wzrost strat o podłożu wiroprądowym w rdzeniach zwijanych z cienkich taśm amorficznych lub rdzeniach pakietowanych z blach krystalicznych, bez względu na grubość zastosowanej blachy. W obszarach przyszczelinowych występuje niekorzystne zakrzywienie kierunku przebiegu strumienia w rdzeniu, który przenikając niemal prostopadle, szerokie blachy generuje intensywne dodatkowe straty wiroprądowe w materiale rdzenia. Technologia produkcji rdzeni CoreECOTM ogranicza bezpośrednio straty w rdzeniu dławika, uzwojeniu i elementach konstrukcyjnych. Rozwiązanie to zakłada stosowanie wielu bardzo wąskich szczelin powietrznych, co znacznie ogranicza zasięg oddziaływania strumienia rozproszenia [9].

Rys. 5. Ilustracja konstrukcji dławika z rdzeniem w technologii wieloszczelinowej CoreECOTM ograniczającej straty w dławikach

Pole akustyczne wokół dławika jest ważnym parametrem technicznym i środowiskowym. Powodem występowania hałasu są powstające podczas magnesowania rdzenia siły magnetyczne i magnetostrykcyjne. Wielkość tych sił zależy od maksymalnych, lokalnych wartości indukcji magnetycznej w rdzeniu. Działające siły wywołują zmienne naprężenia w blachach rdzenia, co skutkuje drganiami elementów konstrukcji i polem akustycznym wokół dławika. Poszczególne bloki rdzenia w technologii CoreECOTM łączone są z sobą przy pomocy płaskowników kolumnowych oraz materiałem epoksydowym, co w znacznym stopniu redukuje drgania akustyczne rdzenia [9].

Literatura

[1]. Dąbrowski M., Analiza obwodów magnetycznych. Straty mocy w obwodach, PAN oddz. Poznań, Seria Elektrotechnika, T. III, PWN, Warszawa-Poznań, 1981

[2]. Najgebauer M.,Models for Prediction of Energy Loss in Soft Magnetic Materials, XII International PhD Workshop OWD 2010, 23–26 October 2010

[3]. Williams H.J., Shockley W., Kittel C., Studies of the propagation velocity of a ferromagnetic domain boundary, Phys. Rev., vol. 80 (1950), 1090-1094

[4]. Pry R.H., Bean C.P., Calculation of the energy loss in magnetic sheet materials using a domain model, J. Appl. Phys., vol. 29 (1958), 532-533

[5]. Bertotti G., General properties of power losses in soft ferromagnetic materials, IEEE Trans. Magn., vol. 24 (1998), 621-630

[6]. Bertotti G., A general statistical approach to the problem of eddy current, J. Magn. Magn. Mater., vol. 41 (1984), 253-260

[7]. Sokalski K., Szczygłowski J., Najgebauer M., Wilczyński W., Thermodynamical scaling of eddy current losses in magnetic materials, Proceedings of the 12th IGTE Symposium, 2006, 83-86

[8]. Kazimierczuk M.K.”High-frequency magnetic components,” 2009 A John Wiley and Sons, Ltd.

[9]. Łukiewski M., Łukiewska A., Pawlaczyk L. Multi-gap cores in chokes applied in sine-wave filters, KOMEL Maszyny Elektryczne, Zeszyty Problemowe Nr 2/2017(114)

TRAFECO Sp. J.
Mirosław Łukiewski

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top