Преобразовательные и контрольноизмерительные устройства радиоэлектронных систем

1. Курс лекций по дисциплине

«ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ И
КОНТРОЛЬНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
СИСТЕМ»
Лектор - Куроедов Сергей
Константинович
Лекция 1

2. ЛИТЕРАТУРА

• Зиновьев Г. С. Основы силовой
электроники: учеб. пособие для
вузов / Г. С. Зиновьев. —
Новосибирск : НГТУ, 2003. —
651 с.

3. ЛИТЕРАТУРА

• Розанов Ю. К. Основы силовой
электроники / Ю. К. Розанов. —
М. : Энергоатомиздат, 1992. —
295 с.

4. ЛИТЕРАТУРА

Электропреобразовательные
устройства радиоэлектронных
систем: Учебное пособие/
А.М. Сажнев, Л.Г. Рогулин.–
Новосибирск: НГТУ, 2011. – 220 с.
http://znanium.com/bookread2.php
?book=439214

5. ЛИТЕРАТУРА

Электропреобразовательные
устройства РЭС: Учебник/Г.Н.
Арсеньев. − М.: ИД ФОРУМ:НИЦ
ИНФРА-М, 2014. – 544 с.
http://znanium.com/bookread2.php
?book=430326

6. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1

1. Предмет преобразовательной техники,
понятие преобразовательного
устройства (ПУ)
2. Обобщенная структура схема ПУ
3. Классификация ПУ по виду
преобразуемых характеристик
4. Классификация ПУ по виду
передаточной характеристики
5. Классификация ПУ по временным и
спектральным характеристикам
входных и выходных величин

7. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1

6. Классификация ПУ по соотношению
числа источников (числа фаз) и числа
приемников электрической энергии
7. Этапы развития ПУ.
8. Назначение катушек индуктивности
(дросселей)
9. Классификация дросселей по
конструктивному исполнению
10.Классификация дросселей по наличию
выводов

8. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1

11.Классификация дросселей по виду
обмоточного провода
12.Классификация дросселей по
материалу проводника
13.Классификация дросселей по наличию
и виду изоляции
14.Классификация дросселей по форме
витков катушки
15.Классификация дросселей по числу
слоев катушки

9. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1

16. Классификация дросселей по шагу
намотки
17. Классификация дросселей по наличию
секций катушки
18. Классификация дросселей по наличию
магнитопровода и его виду
19. Виды и характеристики магнитных
материалов, используемых для
изготовления магнитопроводов
дросселей
20. Схема замещения дросселя и ее
параметры

10. ПЛАН ЛЕКЦИИ 1

21. Габаритная реактивная мощность и
энергоемкость дросселя
22. Характеристики магнитопровода
дросселя с немагнитным зазором
23. Расчет дросселя с немагнитным
зазором
24. Расчет параметров теплового режима
работы дросселя

11. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

• 1831 (Фарадей), 1876 (Яблочков) –
изобретение трансформатора (от лат.
transformare – превращать,
преобразовывать), развитие статических
электромагнитных ПУ
• 1880 – изобретение двигателягенератора (умформера, от нем. umformer
- преобразователь), развитие
электромашинных ПО

12. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

• 1901 (Купер Хьюит), 1922 (Вологдин) –
изобретение ртутного вентиля
(игнитрона – от лат. ignis – огонь и
electron - электрон), развитие статических
ионных ПУ
• 1874 (Браун, Германия) – изобретение
кристаллического диода – от др. греч. di два и odos – путь, электрод; 1948
(Браттейн, Бардин, Шокли) – изобретение
биполярного транзистора – от англ.
transfer – передача и varistor –
управляемое сопротивление,

13. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

1950 (Шокли) – изобретение тиристора –
от др.греч. thyra – дверь, англ. resistor сопротивление
1926 (Лилиенфельд, Австрия) – патент на
изобретение полевого транзистора, 1953
(Дейси, Росс) – изобретение полевого
транзистора с управляющим p-nпереходом, 1959 (Аталла, Кан) –
изобретение МДП-транзистора (MOSFET –
Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor), развитие статических
полупроводниковых ПУ

14. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Намагниченность
J H
χ – магнитная восприимчивость,
для магнетиков (веществ, способных
намагничиваться) χ ≠ 0
H
J
для диамагнетиков χ < 0
для парамагнетиков χ > 0
для ферромагнетиков χ зависит от H и
от предыдущих состояний (гистерезис)

15. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Индукция магнитного поля
B 0 ( H J ) 0 (1 ) H 0 H
Магнитный поток
через поверхность S
Потокосцепление
многовитковой
катушки
BdS
S
w
k Li
k 1

16.

Bs
B
H
μ
0
μн
μmax
H
0

17. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА

Предельный
цикл
Частные циклы
Основная кривая
намагничивания

18. ПАРАМЕТРЫ ФЕРРОМАГНЕТИКА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПО ПЕТЛЕ ГИСТЕРЕЗИСА

Индукция насыщения Bs – максимальная
индукция, соответствующая
техническому насыщению
Остаточная индукция Br – индукция,
которая сохраняется в предварительно
намагниченном образце после снятия
внешнего магнитного поля.
Коэрцитивная сила НС – напряженность
размагничивающего поля, которое должно
быть приложено к предварительно
намагниченному образцу для того, чтобы
магнитная индукция в нем стала равной
нулю.

19. Петли гистерезиса магнитомягкого (а) и магнитожесткого (б) ферромагнетиков

20. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитопровод дросселя может быть
изготовлен из металлических
магнитомягких материалов и
магнитомягких ферритов
К металлическим магнитомягким
материалам относятся карбонильное
железо, пермаллои, альсиферы и
низкоуглеродистые кремнистые стали
Карбонильное железо получают
термическим разложением жидкости пентакарбонила железа Fе(СО)5

21. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Частицы чистого порошкообразного
железа получаются в результате реакции
Fе(СО)5 → Fе + 5СО
при температуре около 200 °С и давлении
15 МПа. Частицы железа имеют
сферическую форму размером 1 – 10 мкм.
Для освобождения от частиц углерода
порошок железа подвергают термической
обработке в среде Н2

22. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Относительная магнитная проницаемость
карбонильного железа достигает 20000,
коэрцитивная сила составляет 4,5 - 6,2 А/м
Пермаллои – железоникелевые сплавы.
Для улучшения свойств
вводят Мо, Сr, Сu, получая легированные
пермаллои. Обладают высокой
пластичностью, легко прокатываются в
листы и ленты до 1 мкм.
Если содержание никеля в пермаллое 40 –
50 %, то он называется низконикелевым,
если 60 – 80 % – высоконикелевым

23. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Индукция насыщения высоконикелевых
пермаллоев ниже индукции насыщения
низконикелевых пермаллоев, а магнитная
проницаемость высоконикелевых
пермаллоев выше магнитной
проницаемости низконикелевых
пермаллоев. Магнитные характеристики
пермаллоев изотропны и стабильны при
температуре от –60 до +60°С, однако очень
чувствительны к механическим
воздействиям

24. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Пермаллои имеют высокий уровень
магнитных характеристик, который
обеспечивается не только составом и
высокой химической чистотой сплава,
но и специальной тепловой вакуумной
обработкой. Пермаллои имеют очень
высокий уровень начальной магнитной
проницаемости, в зависимости от
состава от 2000 до 30000 в области
слабых полей, и характеризуются малой
коэрцитивной силой

25. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Особенно высокие характеристики имеет
супермаллой 79НМ, начальная магнитная
проницаемость которого имеет значение
100000, а максимальная достигает
1,5·106 при B = 0,3 Тл
Удельное сопротивление низконикелевых
пермаллоев приблизительно в три раза
больше удельного сопротивления
высоконикелиевых пермалоев, поэтому
низконикелевые пермаллои применяют
для изготовления магнитопроводов
дросселей и трансформаторов,
работающих на повышенных частотах

26. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Альсиферы – нековкие хрупкие сплавы
состава Al – Si – Fe, состоящие из 5,5 –
13 % Аl, 9 – 10 % Si, остальное –
железо. Альсифер близок по свойствам к
пермаллою, но более дешев. Из него
изготовляют литые сердечники с
толщиной стенок не менее 2 – 3 мм.
Порошок альсифера используется в
прессованных высокочастотных
магнитодиэлектриках (сердечники,
кольца).

27. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Кремнистая низкоуглеродистая
сталь (электротехническая сталь) –
сплав железа и кремния (0,8 – 4,8 % Si).
Основной магнитомягкий материал
массового применения. Легко
прокатывается в листы и ленты толщиной
0,05 – 1 мм и является дешевым
материалом. Кремний, находящийся
в стали в растворенном состоянии,
выполняет две функции

28. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

• Повышая удельное сопротивление
стали, кремний вызывает снижение
потерь, связанных с вихревыми токами.
Сопротивление повышается за счет
образования кремнезема SiO2 в
результате протекания реакции
2FeO + Si → 2Fe + SiO2
• Наличие кремния, растворенного
в стали, способствует распаду
цементита Fе3С – вредной примеси,
снижающей магнитные характеристики, и
выделению углерода в виде графита

29. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При этом образуется чистое железо, рост
кристаллов которого повышает уровень
магнитных характеристик стали.
Введение кремния в сталь в количестве,
превышающем 4,8 %, не рекомендуется,
так
как,
способствуя
улучшению
магнитных характеристик, кремний резко
повышает хрупкость стали и снижает ее
механические свойства.

30. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ферриты представляют собой
керамические ферромагнитные
материалы с малой электронной
электропроводностью. Низкая
электропроводность в сочетании с
высокими магнитными характеристиками
позволяет широко использовать ферриты
на высоких частотах.
Изготовляют ферриты спеканием
порошкообразной смеси, состоящей из
окиси железа и окислов других металлов

31. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Общая химическая формула имеет вид:
МеО·Fе2О3 или МеFе2О4,где Ме - символ
двухвалентного металла. Наибольшее
распространение получили марганеццинковые (НМ) и никель-цинковые (НН)
ферриты. Марганец-цинковые ферриты
имеют более высокую температуру
Кюри, потери на гистерезис у них на
порядок ниже, чем у никель-цинковых
ферритов, однако последние могут
использоваться на более высоких
частотах (до 7 МГц), имея большее
удельное сопротивление

32. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Коэрцитивная сила НН- и НМ-ферритов
составляет 15 - 65 А/м, максимальная
проницаемость 800 – 3500, индукция
насыщения 0,25 - 0,4 Тс. Как и все
ферромагнитные материалы ферриты
сохраняют свои магнитные свойства
только до температуры Кюри, которая
зависит от состава ферритов и колеблется
в пределах от 45° до 950°С. Достоинством
ферритов является временная
стабильность магнитных характеристик

33. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитодиэлектрики - это
композиционные материалы, состоящие
из мелкодисперсных частиц
магнитомягкого материала, связанных
друг с другом органическим или
неорганическим диэлектриком
В качестве магнитомягких материалов
применяют порошки карбонильного
железа, альсифера и некоторых сортов
пермаллоя
В качестве диэлектриков применяют
полистирол, бакелитовые смолы и другие
связующие

34. ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изделия из магнитодиэлектриков
отличаются высокой стабильностью
магнитных свойств и точностью размеров
Проницаемость альсиферов составляет
19 – 91, у магнитодиэлектриков,
наполнителем в которых служит
молибденовый пермаллой, – 50 – 250
Для снижения влияния температуры
используются магнитодиэлектрики с
компенсированным температурным
коэффициентом магнитной
проницаемости

35. МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ИДЕАЛЬНОГО ДРОССЕЛЯ С МАГНИТОПРОВОДОМ

36. МАГНИТНЫЕ СИЛОВЫЕ ЛИНИИ РЕАЛЬНОГО ДРОССЕЛЯ С МАГНИТОПРОВОДОМ

37. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДРОССЕЛЯ

Δ
hH
lcp

38. ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА ДЛЯ МАГНИТОПРОВОДА С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

39. МАГНИТОПРОВОД С НЕМАГНИТНЫМИ ЗАЗОРАМИ

40. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

I
S np
j
Dnp
4 S np
6. Расчет параметров теплового режима
работы дросселя
6.1. Определение мощности потерь в
дросселе
P Pc Pk

41. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

Pc и Pk – мощности потерь в сердечнике
и в катушке
Pc U g c , Pk I r
2
2
6.2. Расчет коэффициента теплоотдачи
k u
αk – коэффициент теплоотдачи
конвекцией, αu – коэффициент
теплоотдачи излучением, [Вт/м2K]

42. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ КОНВЕНЦИЕЙ

T T0
k A
h
1
4
A – коэффициент, зависящий от
характеристик среды и температуры
дросселя, h – высота дросселя, T температура поверхности дросселя, T0 температура окружающей среды

43. КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ ИЗЛУЧЕНИЕМ

T T
u CB
T T0
4
4
0
ε – коэффициент излучения (степень
черноты поверхности дросселя), φ –
коэффициент облученности (для
дросселя без ребер охлаждения φ = 1),
σCB = 5,67∙10-8 Вт/м2К4 – постоянная
Стефана-Больцмана

44. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

Температурой перегрева (перегревом)
называется разность температуры
поверхности дросселя и температуры
окружающей среды
T T0
Перегрев определяется суммарной
мощностью P потерь, значением
коэффициента α теплоотдачи и
площадью Sno поверхности охлаждения

45. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

P
S po
Максимальный перегрев в
теле дросселя
определяется так:
max
Γ - коэффициент перепада температур

46. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

Для дросселя с открытым сердечником,
например броневым:
Pc
1 1
1
,
2
16 k 1
Pk
2
λk - коэффициент теплопроводности
катушки дросселя

47. РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ С НЕМАГНИТНЫМ ЗАЗОРОМ

Для дросселя с закрытым сердечником,
например тороидальным:
0,5
1
k 1
Максимальная температура дросселя
Tmax T0 max