Сучасна силова електроніка здебільшого заснована на ВЧ-ШІМ (PWM) перетворення електроенергії. ШІМ (широтно-імпульсна модуляція) – процес управління потужністю методом пульсуючого включення та вимикання споживача енергії, зазвичай із частотою від одиниць кілогерц до сотень кілогерц. Найчастіше на виході таких перетворювачів необхідно отримати або постійну напругу, можливо, регульовану незалежно від вхідної напруги за потребою користувача, або напругу промислової частоти 50/60 Гц. А на виході ключового перетворювача після комутації на MOSFET або IGBT виходить послідовність прямого імпульсу з амплітудою, що дорівнює напрузі вхідного джерела енергії та частоти перетворення та крутими фронтами.
Для того, щоб отримати гладку вихідну постійну або напругу, що змінюється, або напругу промислової частоти (багато нижче звичайної частоти ШІМ-перетворювачів) – вихідну послідовність імпульсів ключової ланки перетворювача потрібно інтегрувати. Для цього служить вихідний дросель-реактор перетворювача, і лише в окремих випадках, наприклад – частотних перетворювачах для живлення асинхронних електродвигунів, такий дросель використовується опціонально, а замість нього для простоти використовують внутрішню індуктивність обмоток електродвигунів. Якщо вони підключені довгим кабелем – його ємність змушує знижувати частоту перетворення, оскільки ця ємність сильно навантажує ключову ланку і збільшує втрати у ньому на перемикання.
Але дросель-реактор не може перетворити імпульсну прямокутну напругу високої частоти в гладку без втрат, і, як правило, не повністю її згладжує, залишаються пульсації високої частоти на виході. Тому часто схема перетворювача доповнюється дроселем-фільтром одним або декількома. Втрати в цих дроселях-фільтрах майже повністю визначаються їх активним опором обмоток, тоді як складових втрат у дроселях-реакторах значно більше. Крім активного опору обмоток є ще й втрати на перемагнічування сердечника, і вихрові втрати в обмотках, і вихрові втрати в осерді — і це лише основні складові, оскільки бажано враховувати ще й витіснення струму на поверхню провідника на ВЧ, та взаємовплив витків обмотки і не тільки.
Значні втрати на ВЧ призводять до перегріву дроселя-реактора, зростанню опору його обмоток (+0,4% на К) і при перегріві вище приблизно 150°С процес розігріву стає некерованим, навіть якщо ізоляція дроселя та його осердя були б здатні працювати на таких температурах.
Тим не менш, у розробника зазвичай досить мало можливостей комплексно врахувати ці втрати при розрахунку реактора, і тому розробка дроселя-реактора займає багато часу та кілька ітерацій через виготовлення та випробування зразків. Основна проблема при цьому – труднощі швидкої оцінки втрат навіть готового зразка дроселя-реактора, що ускладнює пошук оптимального для даної конструкції варіанта. Найчастіше використовують спрощений калориметричний метод – знаючи масу і теплоємність дроселя-реактора, включають його в робочий режим і за швидкістю наростання його температури оцінюють потужність втрат, що виділяється в ньому:
P=C/(t2-t1),
де P – потужність втрат, C – теплоємність дроселя, t2 і t1 – вибрані моменти вимірювання температури.
Це не надто швидкий спосіб, і не дуже точний, тому що важко врахувати градієнти температури в процесі нагрівання. Більш надійно легко витримати час до встановлення температури на поверхні дроселя при номінальному навантаженні в готовому перетворювачі, але вже при потужностях порядку одиниць кіловат, що може зайняти годину на кожен вимір.
Можна використовувати також безпосередній вимір потужності ВЧ-втрат у дроселі, якщо вимірювати напругу і струм та вираховувати окремо активну складову в процесі вимірювання, подібно до того, як це робиться на промисловій частоті в звичайному електролічильнику. Для одиночної гармоніки (випробувань на суто синусоїдальній напрузі/току) це P = U * I * cos φ.
Цей метод безпосереднього вимірювання активних втрат реалізований у [1], і для його реалізації потрібне досить дороге обладнання: аналізатор електричної потужності Power Analyzer PW6001 та датчика струму Current Box PW9100, наприклад:
Таким чином можна зробити вимір просто в конкретній схемі перетворювача, чи то зворотний одноключовий перетворювач, чи прямохідний, чи синхронний. Причому на реальних формах струму або напруги, в реальних режимах, не включаючи результат втрати на комутують ключах. Але є й простіші методи, хоч, можливо, і менш точні, але достатні для практики, про них далі.
Загальні активні втрати виробу (перетворювача) можна було б оцінити просто вимірявши потужність на вході на холостому ходу, підібравши такий режим роботи (шпаруватість ШІМ і вхідна напруга) щоб максимально був навантажений дросель-реактор саме реактивної складової. Із загальної потужності втрат слід відняти обчислені втрати в ключах перетворювача, і, знаючи струм у дроселі – розрахувати активну складову втрат провідності дроселя.
Але на етапі ескізного проектування, розробки електромагнітних елементів, особливо для потужних перетворювачів мережевої напруги або високовольтних – можна зібрати просту схему з ключового каскаду на MOSFET з малим опором каналу (таким, щоб втрати в них можна було не враховувати), і досліджуваний дросель-реактор включати у резонансний режим.
Такий стенд для виміру сумарних втрат дроселя-реактора включає осцилограф і лабораторне джерело живлення, а також генератор імпульсів, все це зазвичай є в розпорядженні інженера на робочому столі. Потрібна також проста схема, яку можна зібрати за один вечір:
Трансформатори гальванічної розв’язки на феритовому кільці високої проникності. Драйвери побудовані максимально просто, за схемою з саможивленням, зарядка ємностей живлення кожного драйвера відбувається через переходи, що відкриваються база-колектор транзисторів, діоди там не потрібні. Завдяки саможивленню, вихід стандартного лабораторного генератора імпульсів з вихідним опором 50 Ом може розкачати “важкі” затвори низьковольтних ключів без втрати крутизни імпульсів, не навантажуючи розділовий трансформатор (сильно навантажений трансформатор завалює фронту імпульсів через свою індуктивність).
Батарея конденсаторів невеликої ємності потрібна не тільки для того, щоб підібрати ємність для резонансу на потрібній частоті (тактовій частоті майбутнього перетворювача або на її гармоніках), але і для зменшення втрат у ємностях, тобто зменшення струму через кожну ємність та зменшення ESR при паралельному включенні. Незважаючи на невелику споживану потужність від джерела живлення струм через ці конденсатори може розвиватися значний, потрібно це контролювати (розраховувати, моделювати заздалегідь). Також, слід вибирати ємності з невеликим ESR, і заміряти його на частоті близько 100 кГц, щоб уникнути неприємних сюрпризів або використовувати ємності, наприклад, X2, де ESR за даташитом гарантований.
Як із цим стендом працювати. Включити генератор на вхід, виставити частоту приблизно необхідну для вимірювань, включити лабораторне джерело живлення на малу напругу та максимальний струм обмеження, осцилографом контролюючи напругу на випробуваному дроселі-реакторі. Збільшуючи напругу джерела живлення та підлаштовуючи в резонанс генератор імпульсів (“сходинка” на видимому сигналі встановиться на верхівках синуса, а амплітуда його максимальна), довести напругу на дроселі до такого рівня, який очікується в майбутньому перетворювачі в найнавантаженішому з можливих режимів (максимальний струм із можливих у різних режимах). Потужність споживання від генератора і буде потужністю втрат у стенді, точніше втрати саме в дроселі можна врахувати, якщо відібрати поправку на втрати в ключах і ESR резонансних конденсаторів,
Відокремлювати втрати ВЧ від втрат провідності немає необхідності – при реальній роботі у виробі теплова потужність, що виділяється в дроселі, складається з втрат провідності від струму навантаження і сумарних втрат в дроселі, виміряних на цьому стенді. Справа в тому, що на ВЧ додається внесок від поверхневого ефекту (витіснення струму на поверхню провідника) і врахувати це непросто, але, на щастя, і не потрібно – струм навантаження низькочастотний і поверхневого ефекту не викликає, а решта втрат (на ВЧ) інженера мають сенс інтегральний, тому що всі разом гріють дросель. Звичайно, їх необхідно розділяти при проектуванні, навіщо існують різні способи розрахунку та моделювання, але цей стенд лише для оцінки результатів проектування (сумарних), щоб швидко оцінити результат і швидко змінити те, що потрібно.
Зрозуміло, цим методом можна виміряти сумарні втрати на ВЧ тільки на одній частоті, тим часом спектр прямокутного імпульсу напруги викликає перебіг струму трикутної форми в дроселі-реакторі, тобто є й вищі гармоніки в спектрі цього струму. Це може внести похибку у вимір, тому є сенс відкалібрувати стенд хоча б за першими гармоніками, істотними для впливу на втрати – а саме, обчисливши амплітуду цих гармонік, провести випробування на цій же частоті з цією ж амплітудою (як у реальній роботі перетворювача), і якщо внесок виявиться несуттєвим, то далі можна оцінювати втрати по першій гармоніці. Справа в тому, що через властивості матеріалу сердечника втрати на гармоніках можуть іноді різко зростати, і тоді доведеться це враховувати, незважаючи на їхню відносно невелику амплітуду.
_
[1] Вимірювання втрат в елементах з реактивним опором, що працюють на високих комутаційних частотах
Джерело: Журнал «Силова Електроніка» №6’2017