Современные магнитные материалы и индуктивные компоненты VACUUMSCHMELZE

Немецкая компания VACUUMSCHMELZE, основанная в 1914 году, является одним из ведущих мировых производителей магнитных материалов и индуктивных компонентов. «Прогресс начинается с материалов» — этот ее девиз отражает самую суть технического прогресса. Статья знакомит читателей с уникальными технологиями, магнитными материалами и их применением в электротехнике и в электронике. Особое внимание уделено решениям для счетчиков электроэнергии.

Введение

Магнитные материалы сегодня присутствуют практически в любой области техники. Источники питания, фильтры подавления помех, счетчики электроэнергии, телекоммуникационное оборудование, электродвигатели, оборудование для научных исследований. Из материалов VACUUMSCHMELZE (сплав MUMETALL) собрана экранированная от внешних магнитных полей камера для научных экспериментов по исследованию электромагнитного поля человеческого мозга. Фоновая напряженность поля внутри камеры позволяет регистрировать магнитные поля мозга (около 10^–13 Тл). Самые мощные в мире постоянные магниты с удельной энергией более 400 кДж/м³ также изготавливаются из производимого VACUUMSCHMELZE сплава VACODYM. Продукция VACUUMSCHMELZE, не будучи широко разрекламированной, присутствует во многих изделиях. Компания, которой принадлежит около 60% мирового рынка магнитных материалов, состоит из трех подразделений: полуфабрикаты и конструктивные элементы (38%), сердечники и индуктивные компоненты (40%), постоянные магниты (22%).

Наиболее полное и наглядное представление о продукции дает диаграмма (рис. 1), построенная в плоскости «коэрцитивная сила (намагничивающая сила), A/см — индукция насыщения (остаточная намагниченность), Тл». Диаграмма отражает практически все многообразие магнитных материалов, выпускаемых сегодня. На ней показаны технологические процессы, используемые при изготовлении материалов, а серым цветом обозначены ферриты и некоторые кобальтовые сплавы, отсутствующие в линейке продукции компании. При всем многообразии выпускаемых материалов наиболее распространенной продукцией являются магнитомягкие сердечники и индуктивные компоненты на их основе. Именно эти изделия представляют наибольший интерес для инженеров.

Рис. 1. Диаграмма распределения продукции VAC на плоскости B–H

Аморфные и нанокристаллические магнитомягкие материалы

Аморфные (VITROVAC) и нанокристаллические (VITROPERM) сплавы состоят из металлов (Т)— железа, кобальта, никеля и так называемых металлоидов (М) — бор, углерод, кремний, и описываются обобщенной формулой, отражающей процентное содержание этих веществ:

Структура аморфных сплавов отличается отсутствием периодичности в ориентации атомарных структур. Ориентация отсутствует как в расплавленном, так и в твердом состоянии. Для придания аморфным сплавам необходимых свойств их кристаллизация происходит при сверхбыстром охлаждении, для чего исходный сплав из железа, кремния и бора, выплавляемый при температуре 1200 °С с добавлением меди и ниобия, через дозирующую дюзу распыляется на быстро вращающийся барабан. При попадании на поверхность барабана расплав охлаждается со скоростью около 106 К/с и остается на нем в виде аморфной ленты толщиной от 15 до 30 мкм. Лента навивается в кольцевые сердечники, технология навивки позволяет получать сердечники с диаметром от нескольких миллиметров до 0,5 м. Придание материалам специфических свойств (например, петля гистерезиса определенной формы) достигается термообработкой сердечника.

Нанокристаллические сплавы — новый класс магнитомягких материалов, из которых наиболее известным является VITROPERM (Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,5B₇), выгодно отличаются своей технологичностью и относительной дешевизной исходного сырья от других. Отличительной чертой нанокристаллических материалов является бифазная структура, когда в аморфной фазе находятся кристаллические гранулы диаметром 10–20 нм. Именно благодаря этой структурной особенности достигается высочайшая магнитная проницаемость и самая маленькая коэрцитивная сила. Наряду с этим тонкая лента (около 20 мкм) и относительно высокое удельное сопротивление (110–120 мкОм/см) обеспечивают низкие потери на вихревые токи и прекрасные частотные характеристики магнитной проницаемости. Комбинация этих свойств, включая индукцию насыщения 1,2 Тл, а также хорошие температурные характеристики делают VITROPERM уникальным магнитным материалом, сравнимым с пермаллоями, ферритами или аморфными, и даже превосходящим их.

Также как и у аморфных сплавов, форма кривой намагничивания, а следовательно, и характеристики будущих индуктивных элементов определяются дальнейшей термической обработкой в сильном магнитном поле, силовые линии которого направлены поперек ленты. В процессе упорядочивания на атомарном уровне гранулы aFeSi ориентируются преимущественно параллельно силовым линиям внешнего магнитного поля, чем достигается пологая петля гистерезиса. В процессе термообработки задается крутизна петли гистерезиса, благодаря чему магнитная проницаемость у материала VITROPERM может устанавливаться от 25 000 до примерно 200 000.

Применения

Электронные (статические) счетчики электроэнергии

Важнейшим узлом электронного счетчика является измерительный трансформатор тока (ТТ). Если сигнал напряжения определяется делением входного напряжения резистивным делителем, то с информацией о токе все обстоит значительно сложнее.

В принципе, измерить ток можно и с помощью прецизионных шунтов, но этому препятствуют следующие обстоятельства. Во-первых, построить трехфазный счетчик с шунтами невозможно из-за необходимости иметь гальванически развязанные входы сигналов тока от каждой фазы. Теоретически, возможно реализовать три гальванически развязанных канала с шунтами в каждом, суммируя мощность от каждого канала для отображения на отсчетном устройстве (то есть три однофазных счетчика в одном корпусе), но при серийном производстве такой счетчик будет нетехнологичным, а рынок электросчетчиков — это прежде всего массовое производство, где вопросы технологичности, времени, затрачиваемого на регулировку и сборку имеют очень большое значение. Во вторых, для одновременной поверки счетчиков необходимо обеспечить гальваническую развязку цепей тока, что требует специальных стендов. Шунтовые счетчики, в отличие от счетчиков с ТТ, не позволяют проводить одновременную поверку. Поэтому организации, эксплуатирующие энергосети, нередко требуют поставлять именно счетчики с ТТ.

Итак, имеем счетчик с трансформатором тока, эквивалентная схема включения которого приведена на рис. 2. Выходным сигналом, пропорциональным току, является напряжение, снимаемое с резистора RB (burden resistor). Резистором RCu обозначено активное сопротивление вторичной обмотки ТТ. Фактически потребляемая активная мощность вычисляется по формуле:

Рис. 2. Схема включения трансформатора тока

Для анализа погрешностей, вносимых ТТ, полагаем, что токовая (часто ее называют амплитудной) и угловая погрешности в канале напряжения, состоящего из делителя на резисторах, отсутствует. Трансформатор тока же вносит как угловую, так и токовую погрешности в канал измерения тока. Измеренная счетчиком мощность и погрешность измерения мощности представлены выражениями (3) и (4) соответственно.

где: U, I — действующие значения напряжения и тока соответственно; f — токовая погрешность ТТ, %; d — угловая погрешность, град.

Параметры некоторых ТТ на базе сердечников из аморфных и нанокристаллических сплавов с высокой магнитной проницаемостью сведены в таблицу 1. Они отличаются малой, и, что также очень важно, стабильной величиной угловой и токовой погрешности в широком (10³) динамическом диапазоне токов первичной обмотки. Подробную информацию о номенклатуре производимых ТТ можно получить на сайте компании [4].

Таблица 1. Трансформаторы тока на сердечниках из аморфных и нанокристаллических сплавов с высокой магнитной проницаемостью

Наименование (T60404…)	I1max, Arms	n	d, град	L, Гн	RCu, Ом	RB, Ом	U, В	Размеры, мм			Выводы
								d	D	H
ТТ для счетчиков прямого включения (без внешних ТТ)
…E4622FX002	20	2500	0.18	113	54	37.5	0.3	5	28.5	14.5	W
…E4623FX002	40	2500	0.12	155	61	18.8	0.3	5.5	28	16	W
…E4624FX002	60	2500	0.13	122	55	12.5	0.3	8.0	30.5	15	W
…E4624FX502	60	2500	0.13	122	55	12.5	0.3	8.5	31	14	P
…E4626FX002	100	2500	0.11	97	44	7.5	0.3	11.5	34	15	W
…E4626FX502	100	2500	0.11	97	44	7.5	0.3	11.5	34	14	P
ТТ для счетчиков трансформаторного включения (с внешним ТТ) по МЭК 62053F22:2003(ГОСТ Р 52323F2005)
…E4629FX010	6	2000	0.17	238	114	100	0.3	7.0	23	11	W
…E4622FX503	6	2000	0.17	238	114	100	0.3	6.3	24.5	11.5	P
…E4658FX043	6	1500	0.46	35	46	75	0.3	5	16.8	9	W
ТТ для счетчиков обоих типов по ANSI C12.xx (60 Гц)
…E4629FX010	20	2000	0.10	238	114	30	0.3	7.0	23	11	P
…E4622FX503	20	2000	0.10	238	114	30	0.3	6.3	24.5	11.5	W
…E4628FX001	320	1000	0.10	20	10	0.94	0.3	11	35	18.5	W

Примечания:

1_max — максимальное действующее значение тока в первичной обмотке (витке);

n — коэффициент трансформации;

L — индуктивность вторичной обмотки;

P — жесткие выводы для монтажа на плату;

W — выводы в виде гибких цветных проводов (красный и черный);

d, D, H — внутренний и внешний диаметры, высота

Почему так важна стабильность во всем диапазоне? Дело в том, что реальная нагрузка редко является чисто активной, а счетчик электроэнергии должен корректно вычислять потребляемую активную мощность (2) независимо от характера самой нагрузки. В выражении (2) присутствует косинус угла между током и напряжением. Функция cos(j) имеет разную чувствительность к прираще- нию аргумента j при различных значениях j. Физический смысл сказанного таков — при различном характере нагрузки (cos(j)№ 1) наличие угловой погрешности ТТ приводит к появлению дополнительной погрешности в вычислении мощности, и эта погрешность зависит от характера нагрузки. И если угловая погрешность ТТ нестабильна в диапазоне входных токов и рабочих температур, то ее в принципе нельзя компенсировать (рис. 3). Приведем пример. Пусть угловая погрешность d ТТ изменяется в пределах от 0,1° до 1,0° при коэффициенте мощности от 1 (активная нагрузка) до 0,5 (худший случай в реальной сети). Модуль дополнительной погрешности при различных комбинациях d и cos(j) представлен в таблицу 2. При активной нагрузке счетчик не «чувствует» влияние угловой погрешности ТТ. Но уже при cos(j)= 0,8 погрешность вычисления мощности может составить 1,3%, что для счетчиков класса 0,2 и 0,5 по ГОСТ Р 52323-2005 недопустимо.

Рис. 3. Угловая и токовая погрешность T60404FE4624FX002/FX502

Таблица 2. Дополнительная погрешность вычисления мощности, вызванная угловой погрешностью ТТ при различных d и cos(j)

d, град	0,1	0,5	1,0
cos(j)
1,0	0,0001	0,003	0,015
0,9	0,08	0,43	0,86
0,8	0,13	0,66	1,32
0,5	0,3	1,52	3,04

Другая проблема, возникающая при разработке счетчиков электроэнергии — борьба с насыщением сердечника ТТ при несимметричной форме тока нагрузки. Иными словами, когда ток имеет постоянную составляющую. На рис. 4 изображена осциллограмма процесса насыщения сердечника ТТ. Видно, что сигнал на резисторе RB не соответствует току нагрузки и среднее значение стремится к нулю. Очевидно, что это приведет к недоучету электроэнергии. Складывается следующая ситуация: на уровне трансформаторных подстанций учет электроэнергии ведется точными счетчиками включения не хуже класса 0,5. Такие счетчики подключаются к внешнему ТТ, который не насыщается. Более того, на уровне подстанций несимметричная нагрузка практически отсутствует. На уровне бытовых потребителей (квартирные и домовые счетчики) может возникать дополнительная погрешность при несимметричном токе, например, при регулировании мощности методом отсечки полупериода тока или его части. В результате возникает несоответствие между поставленной потребителю электроэнергией и фактически им потребленной и оплаченной электроэнергией. Такое несоответствие влечет за собой значительные убытки. Именно поэтому вышедший в середине 2005 года стандарт ГОСТ Р 52322-2005 обязывает производителей счетчиков обеспечить корректный учет электроэнергии независимо от наличия постоянной составляющей тока нагрузки.

Рис. 4. Процесс насыщения сердечника ТТ при наличии постоянной составляющей первичного тока

Для решения этой задачи VACUUMSCHMELZE предлагает трансформаторы тока на основе аморфных и нанокристаллических сплавов с невысокой (7000–15000) магнитной проницаемостью. Параметры некоторых ТТ этого класса сведены в таблицу 3.

Таблица 3. ТТ для счетчиков прямого включения ненасыщающихся при постоянной составляющей тока нагрузки в соответствии с ГОСТ З 52322F2005(МЭК 62053F21:2003)

Наименование (T60404…)	I1max, Arms	n	d, град	L, Гн	RCu, Ом	RB, Ом	U, В	Размеры, мм			Выводы
								d	D	H
…E4622FX101	20	2500	3.69	4.6	54	37.5	0.3	5	28.5	14.5	W
…E4623FX101	40	2500	4.28	3.7	66	18.8	0.3	5.5	28	16	W
…E4624FX501	60	2500	4.42	3.0	55	12.5	0.3	8.5	31	14	P
…E4624FX121*	60	2500	3.2	5	51.5	12.5	0.3	8	37.8	18.1	W
…E4625FX101	80	2500	5.2	2.4	54	9.4	0.3	9.5	35	15	W
…E4626FX501	100	2500	4.73	2.1	44	7.5	0.3	11.5	34	14	P
…E4627FX101	120	2500	4.35	1.8	34	6.25	0.3	12	39	18	W

На рис. 5 приведены типовые зависимости угловой и токовой погрешностей от первичного тока для этого класса ТТ на примере одного из них. Токовая погрешность находится в пределах 0,2–0,4 % во всем диапазоне рабочих температур и постоянна во всем диапазоне измеряемых токов. Угловая погрешность ведет себя так же, но абсолютная ее величина существенно больше, чем у ТТ из таблицы 1, и составляет единицы градусов.

Рис. 5. Угловая и токовая погрешность T60404FE4624FX101/FX501

Как известно, угловая погрешность d зависит от частоты и индуктивности вторичной обмотки ТТ:

Ненасыщающийся сердечник по определению должен иметь низкую магнитную проницаемость, а следовательно, относительно маленькую индуктивность, и значительную угловую погрешность (5). Использовать такой выходной сигнал (UB) для обработки нельзя, поэтому для компенсации фазового сдвига может применяться либо RC-цепь (рис. 2), либо обработка выходного сигнала микроконтроллером счетчика. Это несложно сделать, так как угловая погрешность, во-первых, практически не зависит от измеряемого тока I1, во-вторых, линейно зависит от температуры (рис. 5), в-третьих, стабильна от изделия к изделию при поставках, что особенно ценно в серийном производстве счетчиков.

Необходимо отметить, что на рынке имеется очень много предложений ТТ для счетчиков электроэнергии от различных фирм-изготовителей, особенно азиатских. Приобрести их можно у многих поставщиков. Предлагаются также и ТТ, якобы соответствующие МЭК 62053-21. Испытания показывают, что сердечники таких ТТ не насыщаются при постоянной составляющей первичного тока, и, как ни странно, при этом у них отсутствует угловая погрешность. Но все ли так просто на самом деле?

Как показали исследования, проведенные в лаборатории компании VACUUMSCHMELZE, сердечник таких трансформаторов состоит из двух уложенных друг на друга и склеенных тороидальных сердечников: одного — из сплава с проницаемостью около 400 000, другого — из аморфного сплава на основе железа с проницаемостью около 7000. При испытаниях обнаружилось, что при введении постоянной составляющей в первичный ток растут фазовая и амплитудная погрешности выходного сигнала ТТ. Это сопряжено с появлением дополнительной погрешности при вычислении мощности (3, 4). Так, при cos(j)= 0,9, что возможно в бытовых электросетях, погрешность при использовании такого ТТ составила 13%. Устранить эту погрешность могут только постоянные адаптивные калибровки, что невозможно.

Устройства защитного отключения (УЗО)

УЗО, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, должны одинаково точно воспринимать как токи утечки синусоидальной формы, так и пульсирующие однополярные токи. Такие УЗО состоят из датчика токов утечки, реагирующего на суммарный ток, одного или двух конденсаторов и высокочувствительного реле-расцепителя (рис. 6). Цепь реле рассчитывается так, чтобы она находилась в резонансе при протекании как синусоидального тока частотой 50 Гц, так и импульсов тока с высокочастотными гармоническими составляющими. Когда ток в резонансном контуре достигает определенного значения, реле-расцепитель срабатывает и отключает нагрузку от сети.

Рис. 6. Принцип работы пассивного УЗО

Чтобы УЗО обладали необходимой чувствительностью, магнитный материал датчика тока должен обладать как можно большей магнитной проницаемостью и хорошими динамическими свойствами. Наряду с высочайшей магнитной проницаемостью, материал VITROPERM отличается, прежде всего, динамическими свойствами, что позволяет получить контур с широкой полосой резонансных частот. Таким образом, можно изготовить сердечник для датчика тока с размерами в два раза меньше, чем у сердечника из кристаллического сплава.

Компенсированные дроссели — подавители помех

Компенсированные дроссели — подавители помех являются важнейшим конструктивным элементом в фильтрах электромагнитных помех. Наиболее известными областями применения для них являются импульсные источники питания, преобразователи частоты для электродвигателей, сварочные аппараты, а также подавители помех в телекоммуникационном оборудовании для ISDN. Компенсированные дроссели-подавители состоят из тороидального ленточного сердечника с несколькими обмотками, которые включены так, чтобы магнитные поля, создаваемые рабочими токами и симметричными токами помех, взаимно компенсировались. Если в рабочем токе присутствуют асимметричные помехи, их магнитные поля не взаимоуничтожаются. В этом случае сигналу помехи противодействует весь импеданс обмоток сердечника, чем и достигается подавление помех.

Накладывается также дополнительное условие — чтобы материал сердечника сохранял высокую проницаемость как при большой амплитуде импульсов помех, так и при больших токах утечки. И здесь сплавы FeCuNbSiB выходят на первый план, сочетая в себе два важных свойства — высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения. Кроме того, высокая термическая нагрузочная способность нанокристаллических материалов (свыше 120 °С) позволяет выполнять обмотки значительно более тонким проводом, чем для сердесников из ферритов или аморфных материалов. Этим достигается важнейшее преимущество миниатюрных дросселей. VITROPERM предпочтителен там, где имеется ограниченный объем и предъявляются требования по электромагнитной совместимости (ЭМС).

Трансформаторы в импульсных преобразователях

В импульсных преобразователях, которые работают на все более высоких частотах, силовой трансформатор является центральным элементом, и его размеры во многом определяются магнитным материалом сердечника. Наиболее распространенное применение — тактируемые (синхронные) источники питания мощностью до 40 кВт для транспорта, медицины и электросварочной техники (рис. 7).

Рис. 7. 25 кВт силовой трансформатор

Магнитные материалы для «киловаттных» трансформаторов должны иметь как можно меньшие потери на перемагничивание (при рабочих частотах от 15 до 25 кГц) и широкий рабочий диапазон (большую индукцию насыщения) при высоких температурах.

Как правило, имеются в виду кристаллические, аморфные и нанокристаллические сплавы, а также ферриты, причем среди них VITROPERM отличается наименьшими потерями. Необходимо отметить, что VITROPERM имеет еще и малый отрицательный температурный коэффициент потерь в сердечнике, что приводит к уменьшению потерь на перемагничивание с ростом температуры (рис. 8). Это свойство предотвращает саморазогрев сердечника трансформатора и позволяет уверенно использовать эти устройства в приложениях с температурами сердечника от –40 до +120 °С. В сочетании с большой индукцией насыщения (1,2 Тл) это свойство позволяет иметь широкий рабочий диапазон, что означает уменьшение объема устройства в два раза при той же мощности.

Рис. 8. Типовые значения потерь на перемагничивание материалов с пологой кривой гистерезиса для мощных преобразователей

Результат — значительное улучшение массово-габаритных показателей всего преобразователя. В этом плане может быть упомянут пример из железнодорожного транспорта, где обычное оборудование заменяется тактируемыми (синхронными) источниками питания. При мощности в 70 кВт четыре преобразователя весом 25 кг на основе VITROPERM заменяют ранее применявшуюся версию с 800-килограммовым трансформатором из кристаллического материала.

Заключение

VACUUMSCHMELZE — новый бренд на российском рынке высокотехнологичных электронных компонентов. Компания накопила огромный опыт и обладает научным потенциалом в области магнетизма. Линейка продукции очень широка, помимо подробно рассмотренных трансформаторов тока, силовых трансформаторов и компонентов для УЗО, выпускаются разделительные трансформаторы для xDSL-модемов, разнообразные дроссели, прецизионные промышленные датчики тока, магнитные антенны и др.

Компания VACUUMSCHMELZE предлагает наиболее качественные изделия, решающие многие проблемы повышения точности измерения электроэнергии, что по достоинству оценено ведущими мировыми производителями как счетчиков, так и компонентов для них. Особо стоит заметить, что параметры ТТ VACUUMSCHMELZE (табл. 2) поддерживаются аппаратно и программно популярной ИС класса Meter System-On-Chip 73М65хх от Teridian Semiconductor.

Литература

1. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.
2. ГОСТ Р 52322-2005(МЭК 62053-21:2003). Статические счетчики электрической энергии классов 1 и 2.
3. Petzold J, Poss H.-L., Richter J. Nanokristalline Werkstoffe, weichmagnetische Legierungen fur High-Tech-Gerate.
4. Ferch M. Leichte Transformatoren fur Kilowatt-Schaltnetzteile.
5. Материалы сайта www.vacuumschmelze.com
6. Boll R.Weichmagnetische Werkstoffe: Einfuhrung in den Magnetismus, VAC-Werkstoffe und ihre Anwendungen. VACUUMSCHMELZE GmbH, Hanau, 1990.

Александр СТРАТИЕНКО

Статья была опубликована в журнале Компоненты и технологии №9 2006 г.