Розрахунок індукторів, дроселів, котушок індуктивності методом чисельного моделювання FEM.
Сучасний підхід до розробки складної електронної та електротехнічної продукції передбачає точне проектування силових елементів схеми. З ростом потужностей розробляється обладнання, ціна помилок і неточностей в розрахунках зростає в геометричній прогресії. А особливо це стає помітно, коли розробляється унікальне обладнання.
Безумовно, існує маса літератури з розрахунку і проектування трансформаторів, дроселів, котушок індуктивності з сердечником і без сердечника, де розглянуті більшість стандартних застосувань.
Для студентів, які тільки починають займатися електронікою і електротехнікою, я завжди рекомендував чудову книгу -
Ясна і зрозуміле виклад для початківців.
Далі, за розрахунком котушок індуктивності, є не менше корисна книга-
Калантаром П.Л. Цейтлін Л.А. Розрахунок індуктивностей. 1986р.
За розрахунком трансформаторів напруги (струму) і дроселів існує маса літератури.
Наводити їх немає сенсу. Інтернет великий. Все можна знайти.
Окремо стоять книги з розрахунку, розробці та конструювання індукторів для технологій індукційного нагріву.
Тут Слухоцкого А.Є. поза конкуренцією. Хоча, останнім часом, з'явилося досить багато статей і книг, де докладно і більш глибоко розглянуті проблеми проектування індукторів для конкретних видів технологій індукційного нагріву ТВЧ.
Для найпростіших випадків існує безліч on-line калькуляторів, які дозволяють прикинути або навіть розрахувати прості варіанти котушок індуктивності, дроселів, трансформаторів.
Дозволяє визначити основні параметри котушок індуктивності різної форми.
Для найпростішого розрахунку трансформаторів, наприклад, калькулятор радіоаматора.
Але все це розрахунки для пристроїв, в кращому випадку, до 1кВт.
Далі починається своя специфіка. Особливо якщо ці пристрої працюють на частотах вище декількох десяток кГц.
У потужних високочастотних дроселях, котушках індуктивності, індуктори, трансформаторах істотно зростають втрати від поверхневих ефектів протікання струму. Високочастотний струм може легко концентруватися і перегрівати локальні ділянки силового пристрою.
На високій частоті істотно зростає складність точного розрахунку втрат потужності в магнітопроводі і обмотувальному дроті або шинах. Істотно збільшується вплив на втрати багатошаровість котушки. Облік впливу зазору в муздрамтеатрі також стає досить складним завданням.
Використання програм чисельного моделювання FEM дозволяє вирішити більшість технічних питань, що виникають при розрахунку і проектуванні індукторів, дроселів, котушок індуктивності, трансформаторів, шіносборок і т.д. а також істотно підвищити точність розрахунку і провести оптимізацію проектованого пристрою в найкоротші терміни у багатьох випадках без створення натурального макета, що особливо важливо для потужних і дорогих пристроїв.
Кілька слів хотів сказати про індукційних водонагрівачах.
Індукційні водонагрівачі, індукційні котли, індукційні парогенератори - це технічно складні пристрої, що вимагають особливо ретельного опрацювання та проектування індукційної системи. В якості джерела живлення зазвичай використовується промислова частота 50Гц з напругою 220В або 380В.
Основною проблемою при проектуванні індукційних водонагрівачів є оптимальне конфигурировании индуцирующей обмотки. Т. е. Проектування геометрії обмотки, числа витків, перетину дроту. Необхідно враховувати, що індукційна система має cosφ істотно відмінний від 1. Тому, без установки додаткового конденсатора, паралельно обмотки, від мережі буде споживатися додатковий реактивний струм.
Вибір і розрахунок необхідного компенсуючого конденсатора є обов'язковою вимогою для отримання максимального ККД водогрійного пристрої. Також багато хто плутає електричний і тепловий ККД нагрівального пристрою. Тепловий ККД для таких пристроїв дійсно може становити майже 100%.
Принцип роботи індукційного котла показаний на малюнках:
Кілька прикладів розрахунків і моделювання індукторв для різних технологій:
1. Розрахунок і моделювання індукційного системи тигель-індуктор-магнітопровід.
Визначення параметрів індукційної системи, ККД, розподіл струму в індукторі, визначення втрат у муздрамтеатрі.
3. Ресчет і моделювання нагріву шийки колінчастого вала під загартування.
Вирішувалася електромагнітна і теплова задача в 3D з обертанням нагрівається деталі (колінчастого валу).
В результаті моделювання визначено параметри індукційного системи, ККД, необхідна потужність і час нагрівання під загартування.
Кілька прикладів розрахунків котушок індуктивності і трансформаторів:
Частота близько 100кГц. Сердечник феррит 2500НМС1. Обмотка задана, як FEM Coil з розподіленими витками по геометрії заданої області.
Здається в параметрах число витків і загальний опір обмотки.
Моделювалося розподіл струму в мідній шині і магнітної індукції в муздрамтеатрі. Перевірялося відсутність насичення муздрамтеатру для різних режимів роботи трансформатора струму. Оптімізіровалассь конструкція трансформатора струму для ВЧ застосувань.
- Розрахунок і моделювання трифазного трансформатора з кожухом.
На малюнку праворуч показана розрахункова схема і схема включення обмоток і навантаження трансформатора.
Визначався ККД трансформатра (втрати в обмотках, серцевині, кожусі) і розсіювання в різних режимах роботи.