Современная силовая электроника большей частью основана на ВЧ-ШИМ (PWM) преобразованиях электроэнергии. ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии, обычно с частотой от единиц килогерц до сотен килогерц. Чаще всего на выходе таких преобразователей необходимо получить либо постоянное напряжение, возможно — регулируемое вне зависимости от входного напряжения по потребности пользователя, либо напряжение промышленной частоты 50/60 Гц. А на выходе ключевого преобразователя после коммутации мощным звеном на MOSFET или IGBT получается последовательность прямо импульсов с амплитудой, равной напряжению входного источника энергии и частотой преобразования и крутыми фронтами.
Для того, чтоб получить гладкое выходное постоянное или изменяющееся напряжение, или напряжение промышленной частоты (много ниже обычной частоты ШИМ-преобразователей) — выходную последовательность импульсов ключевого звена преобразователя нужно интегрировать. Для этого служит выходной дроссель-реактор преобразователя, и лишь в отдельных случаях, например — в частотных преобразователях для питания асинхронных электродвигателей, такой дроссель используется опционально, а вместо него для простоты используют внутреннюю индуктивность обмоток электродвигателей. Если они подключены длинным кабелем — его емкость заставляет понижать частоту преобразования, так как эта емкость сильно нагружает ключевое звено и увеличивает потери в нем на переключение.
Но дроссель-реактор не может преобразовать импульсное прямоугольное напряжение высокой частоты в гладкое без потерь, и, как правило, не полностью его сглаживает, остаются пульсации высокой частоты на выходе. Поэтому часто схема преобразователя дополняется еще дросселем-фильтром, одним или несколькими. Потери в этих дросселях-фильтрах почти полностью определяются их активным сопротивлением обмоток, тогда как составляющих потерь в дросселях-реакторах значительно больше, кроме активного сопротивления обмоток есть еще и потери на перемагничивание сердечника, и вихревые потери в обмотках, и вихревые потери в сердечнике — и это только основные составляющие, так как желательно учитывать еще и вытеснение тока на поверхность проводника на ВЧ, и взаимовлияние витков обмотки и не только.
Значительные потери на ВЧ приводят к перегреву дросселя-реактора, возрастанию сопротивления его обмоток (+0,4% на К) и при перегреве выше примерно 150°С процесс разогрева становится неуправляемым, даже если изоляция дросселя и его сердечник были бы способны работать на таких температурах.
Тем не менее, у разработчика обычно довольно мало возможностей комплексно учесть эти потери при расчете реактора, и потому разработка дросселя-реактора занимает много времени и несколько итераций через изготовление и испытание образцов. Основная проблема при этом — трудность быстрой оценки потерь даже готового образца дросселя-реактора, что затрудняет поиск оптимального для данной конструкции варианта. Чаще всего используют упрощенный калориметрический метод — зная массу и теплоемкость дросселя-реактора, включают его в рабочий режим и по скорости нарастания его температуры оценивают выделяющуюся в нем мощность потерь по формуле:
P=C/(t2-t1),
где P — мощность потерь, C — теплоемкость дросселя, t2 и t1 — выбранные моменты измерения температуры.
Это не слишком быстрый способ, и не очень точный, так как трудно учесть градиенты температуры в процессе нагрева. Более надежно просто выдержать время до установления температуры на поверхности дросселя при номинальной нагрузке в готовом преобразователе, но уже при мощностях порядка единиц киловатт это может занять час на каждое измерение.
Можно использовать также непосредственное измерение мощности ВЧ- потерь в дросселе, если измерять напряжение и ток и высчитывать отдельно активную составляющую в процессе измерения, подобно тому как это делается на промышленной частоте в обычном электросчетчике. Для одиночной гармоники (испытаний на чисто синусоидальном напряжении/токе) это P= U*I*cos φ, а для сложного прямоугольного импульса напряжения и треугольной формы тока в дросселе — это квадратный корень из суммы выборок (с частотой, многократно больше чем тактовая) произведений мгновенного напряжения на мгновенный ток (произведение с учетом знака, естественно).
Этот метод непосредственного измерения активных потерь реализован в [1], и для его реализации требуется довольно дорогое оборудование: анализатор электрической мощности Power Analyzer PW6001 и датчика тока Current Box PW9100, например:
Таким образом можно произвести измерение просто в конкретной схеме преобразователя, будь то обратный одноключевой преобразователь, или прямоходный, или синхронный. Причем на реальных формах тока или напряжения, в реальных режимах, не включая в результат потери на коммутирующих ключах. Но есть и более простые методы, хоть, возможно, и менее точные но достаточные для практики, о них далее.
Общие активные потери изделия (преобразователя) можно было бы оценить просто замерив мощность на входе на холостом ходу, подобрав такой режим работы (скважность ШИМ и входное напряжение) чтоб максимально был нагружен дроссель-реактор именно реактивной составляющей. Из общей мощности потерь следует вычесть после вычисленные потери в ключах преобразователя, и, зная ток в дросселе — рассчитать активную составляющую потерь проводимости дросселя.
Но на этапе эскизного проектирования, разработки электромагнитных элементов, особенно для мощных преобразователей сетевого напряжения или высоковольтных — можно собрать простую схему из ключевого каскада на MOSFET с малым сопротивлением канала (таким, чтобы потери в них можно было не учитывать), и исследуемый дроссель-реактор включать в резонансный режим.
Такой стенд для замера суммарных потерь дросселя-реактора включает в себя осциллограф и лабораторный источник питания, а также генератор импульсов, все это обычно есть в распоряжении инженера на рабочем столе. Нужна также простая схема, которую можно собрать за один вечер:
В этой схеме применены ключи IRF2804 (или подобные им с сопротивлением открытого канала 1-2 мОм, можно включить несколько параллельно для нужного сопротивления), для раскачки затвора почти любые биполярные транзисторы, с током хотя бы 0,5-1А (например, BC807 — BC817).
Трансформаторы гальвано развязки на ферритовом кольце высокой проницаемости. Драйверы построены максимально просто, по схеме с самопитанием, зарядка емкостей питания каждого драйвера происходит через открывающиеся переходы база-коллектор транзисторов, диоды там не нужны. Благодаря самопитанию, выход стандартного лабораторного генератора импульсов с выходным сопротивлением 50 Ом может раскачать “тяжелые” затворы низковольтных ключей без потери крутизны импульсов, не нагружая разделительный трансформатор (сильно нагруженный трансформатор заваливает фронта импульсов из-за своей индуктивности рассеяния).
Батарея конденсаторов небольшой емкости нужна не только для того, чтоб подобрать емкость для резонанса на нужной частоте (тактовой частоте будущего преобразователя или на ее гармониках), но и для уменьшения потерь в емкостях, то есть уменьшения тока через каждую емкость и уменьшения ESR при параллельном включении. Несмотря на небольшую потребляемую мощность от источника питания — ток через эти конденсаторы может развиваться значительный, нужно это контролировать (рассчитывать, моделировать заранее). Также, следует выбирать емкости с небольшим ESR, и замерять его на частоте порядка 100 кГц, чтобы избежать неприятных сюрпризов — или использовать емкости, например, X2, где ESR по даташиту гарантирован.
Как с этим стендом работать. Включить генератор на вход, выставить частоту примерно около необходимой для измерений, включить лабораторный источник питания на малое напряжение и максимальный ток ограничения, осциллографом контролируя напряжение на испытуемом дросселе-реакторе. Увеличивая напряжение источника питания и подстраивая в резонанс генератор импульсов (“ступенька” на видимом сигнале установится на верхушках синуса, а амплитуда его максимальна), довести напряжение на дросселе до такого уровня, какой ожидается в будущем преобразователе в самом нагруженном из возможных режимов (максимальный реактивный ток из возможных в разных режимах). Мощность потребления от генератора и будет мощностью потерь в стенде, более точно потери именно в дросселе можно учесть, если отнять поправку на потери в ключах и в ESR резонансных конденсаторов, при правильной работе схемы это единицы процентов, и несущественны.
Отделять потери ВЧ от потерь проводимости нет необходимости — при реальной работе в изделии выделяемая в дросселе тепловая мощность складывается из потерь проводимости от тока нагрузки и суммарных потерь в дросселе, измеренных на этом стенде. Дело в том, что на ВЧ добавляется вклад от поверхностного эффекта (вытеснение тока на поверхность проводника) и учесть это непросто, но, к счастью, и не нужно — ток нагрузки низкочастотный и поверхностного эффекта не вызывает, а остальные потери (на ВЧ) для инженера имеют смысл интегральный, так как все вместе греют дроссель. Конечно, их нужно разделять при проектировании, для чего существуют разные методы расчета и моделирования, но данный стенд лишь для оценки результатов проектирования (суммарных), чтоб быстро оценить результат и быстро изменить то, что нужно.
Разумеется, этим методом можно измерить суммарные потери на ВЧ только на одной частоте, между тем спектр прямоугольного импульса напряжения вызывает протекание тока треугольной формы в дросселе-реакторе, то есть имеются и высшие гармоники в спектре этого тока. Это может внести погрешность в измерение, поэтому есть смысл откалибровать стенд хотя бы по первым гармоникам, существенным для влияния на потери — а именно, вычислив амплитуду этих гармоник, провести испытание на этой же частоте с этой же амплитудой (как в реальной работе преобразователя), и если вклад окажется несущественным — то далее можно оценивать потери по первой гармонике. Дело в том, что из-за свойств материала сердечника потери на гармониках могут иногда резко возрастать, и тогда придется это учитывать, несмотря на их относительно небольшую амплитуду.
_
[1] Измерение потерь в элементах с реактивным сопротивлением, работающих на высоких коммутационных частотах
Источник: Журнал «Силовая Электроника» № 6’2017