Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №5

Программа Transformer Designer в OrCAD 10.5. Урок 1

Златин Иосиф  
Хамзин Наджим  

Данная публикация открывает серию статей, посвященных новой программе Transformer Designer, включенной в последнюю версию системы сквозного моделирования OrCAD 10.5 и предназначенной для разработки трансформаторов и дросселей. Материал будет изложен в виде четырех уроков. Целью первого урока является ознакомление с возможностями и основными правилами работы с программой.

Все статьи цикла:

Программа Transformer Designer — инструмент, предназначенный для разработки индуктивных компонентов, таких как трансформаторы и дроссели. Разработка индуктивного компонента включает в себя выбор соответствующих сердечника, обмотки и изоляционного материала для получения необходимых выходных характеристик при заданных входных условиях. Для решения этой задачи и получения необходимых результатов приходится итерационно решать различные уравнения. Обычно разработчики проводят расчеты вручную, и из-за трудоемкости этого процесса для получения окончательных данных затрачивается много времени.

Теперь для эффективной и удобной разработки трансформатора или дросселя можно использовать Transformer Designer. С помощью этой программы можно:

  • разрабатывать индуктивные компоненты, такие как силовые трансформаторы, трансформаторы прямоходовых и обратноходовых преобразователей и дроссели постоянного тока (в дальнейшем дроссели);
  • создавать для разработанного индуктивного компонента Spice-модели (эти модели могут затем использоваться в схемах, моделируемых в PSpice);
  • поддерживать базу данных компонентов, таких как сердечники, каркасы, провода и изоляционные материалы;
  • создавать данные, требуемые для изготовления индуктивных компонентов — Transformer Designer после завершения процесса разработки создает Manufacturer Report (сообщение изготовителя), которое содержит данные, требуемые для производства индуктивных компонентов.

Transformer Designer состоит из двух модулей: базы данных Transformer Designer и интерфейса Transformer Designer.

База данных Transformer Designer содержит информацию о материале, требуемом для создания трансформатора или дросселя, о доступных сердечниках, проводах и изоляционных материалах. Такие данные, как свойства материала сердечника, физические размеры сердечника, параметры проводов обмоток и свойства изоляционных материалов, берутся в базе данных. База данных содержит также детальную информацию об основных изготовителях.

Интерфейс Transformer Designer использует вводимую пользователем информацию и информацию из базы данных для разработки индуктивного компонента. Кроме того, он позволяет производить навигацию по базе данных, добавление в нее новых записей и удаление старых.

Интерфейс проекта Transformer Designer

Интерфейс разделен на три части: собственно Transformer Designer, Design Steps и Message View. Последние два окна являются дополнительными.

Окно Transformer Designer (рис. 1) используется для разработки индуктивных компонентов.

Рис. 1. Интерфейс диалогового окна Transformer Designer
Рис. 1. Интерфейс диалогового окна Transformer Designer

Design Steps появляются слева в окне Transformer Designer, показывая завершенные или выполняемые шаги в процессе разработки трансформатора. Message View отображают ошибки, предупреждения и состояние процессов, выполняемых Transformer Designer. По умолчанию наблюдаемые сообщения появляются в нижней части интерфейса Transformer Designer.

Рис. 2. Меню View: а) Design Steps и Message View скрыты; б) Design Steps и Message View отображаются
Рис. 2. Меню View: а) Design Steps и Message View скрыты; б) Design Steps и Message View отображаются

По умолчанию все три части окна Transformer Designer видимы, но если требуется, можно скрыть Design Steps и Message View (рис. 2). Для того чтобы скрыть Message View, в меню View выберем Message View. Подобным образом можно также скрыть Design Steps, выбрав Steps View.

Программа Transformer Designer использует мастер разработки компонентов. Можно использовать кнопки Back и Next для перемещения на предыдущие или последующие шаги соответственно. Помимо этого, можно также использовать Design Steps для перехода к любому из законченных шагов. Например, если вы находитесь на Step 5 (шаге 5) процесса разработки трансформатора, можно перейти на второй шаг, выбрав пиктограмму Step 2.

Условные обозначения, используемые в Transformer Designer

Числа могут быть напечатаны как в десятичной форме, так и в экспоненциальной системе обозначений. Например, 1000 может быть введена как 1000 или 1 К. В таблице 1 приведены условные обозначения множителей для образования десятичных кратных и дольных единиц, поддерживаемые в Transformer Designer, а в таблице 2 приведено описание символов, используемых в Transformer Designer.

Таблица 1. Условные обозначения множителей для образования десятичных кратных и дольных единиц, поддерживаемые в Transformer Designer
Таблица 1. Условные обозначения множителей для образования десятичных кратных и дольных единиц, поддерживаемые в Transformer Designer
Таблица 2. Используемые символы
Таблица 2. Используемые символы
Таблица 2. Используемые символы
Таблица 2. Используемые символы

Процесс разработки

В этом разделе мы познакомимся с кратким обзором шагов, связанных с разработкой трансформатора, и научимся проектировать индуктивные компоненты, используя Transformer Designer.

Одним из наиболее используемых индуктивных компонентов является трансформатор. Простой идеальный трансформатор, показанный на рис. 3, состоит из сердечника, первичной и вторичной обмоток и изоляционных материалов, используемых между обмотками, а также между сердечником и обмоткой.

Рис. 3. Простой идеальный трансформатор
Рис. 3. Простой идеальный трансформатор

Основные шаги, сопровождающие разработку трансформатора или любого другого индуктивного компонента:

  1. Формирование технических требований к трансформатору.
  2. Выбор соответствующего сердечника.
  3. Выбор проводов обмотки и разработка компоновки обмотки.
  4. Вычисление эксплуатационных характеристик трансформатора.
  5. Проверка соответствия расчетных параметров требуемым техническим характеристикам трансформатора.

Шаги, которые должны быть выполнены при использовании Transformer Designer для разработки индуктивного компонента:

  1. Выбор компонента.
  2. Предоставление общей информации.
  3. Предоставление электрических данных.
  4. Выбор сердечника.
  5. Выбор каркаса и провода.
  6. Наблюдение результатов.

Для запуска Transformer Designer в меню «Пуск» выберем «Все программы»/OrCAD 10.5/PSpice Accessories/Transformer Designer. Откроется диалоговое окно Transformer Designer (рис. 4).

Рис. 4. Диалоговое окно Transformer Designer
Рис. 4. Диалоговое окно Transformer Designer

Первый шаг при использовании Transformer Designer должен определить тип индуктивного компонента, который будет разработан. Используя Transformer Designer, можно разработать:

  • Силовые трансформаторы.
  • Трансформаторы прямоходового преобразователя (поддерживаются два типа: Single Switch — одиночный ключ и Double Switch — двойной ключ).
  • Трансформаторы обратноходового преобразователя, работающие в режиме разрывных токов.
  • Дроссель с одиночной обмоткой, работающий в режиме непрерывных токов.

Для запуска процесса разработки индуктивного компонента в Transformer Designer необходимо выполнить следующие шаги:

  1. В меню File выберем New.
  2. Определим тип разрабатываемого трансформатора, который обуславливается выбором соответствующего переключателя (рис. 5).
  3. В текстовое поле Name введем название библиотеки, в которой будет сохранена Spice-модель для индуктивного компонента. Обратите внимание: это название также является названием модели, которая будет сгенерирована Transformer Designer в конце процесса разработки.
  4. В текстовом поле Path определим место, где должна быть сохранена библиотека, содержащая модель трансформатора.
  5. Для того чтобы перейти к следующему шагу в процессе разработки, нажмем Next.
Рис. 5. Первый шаг в разработке трансформатора
Рис. 5. Первый шаг в разработке трансформатора

На втором и третьем шаге процесса разработки вводятся технические требования для разрабатываемого индуктивного компонента (рис. 6). Для разработки любого вида компонента необходимо знать основные параметры проекта, такие как входное и выходное напряжение, рабочая частота, плотности тока, изоляционные материалы и т. д.

Рис. 6. Второй шаг в разработке трансформатора
Рис. 6. Второй шаг в разработке трансформатора

На втором шаге необходимо обеспечить проект общей информацией, а на третьем шаге указать электрические данные.

На шаге по обеспечению общих вводимых данных определяются такие параметры, как используемые изоляционные материалы, плотность тока в проводах обмотки и КПД разрабатываемого трансформатора. Фактически задаваемый параметр зависит от типа компонента, который будет разработан. Например, разрабатывая Power Transformer (силовой трансформатор) необходимо определить желательную регулировочную характеристику (Regulation), которая не требуется для других компонентов.

Таблица 3. Общие параметры проекта
Таблица 3. Общие параметры проекта

Таблица 3 содержит общие параметры проекта, которые должны быть определены как данные для ввода в Transformer Designer для разрабатываемых компонентов.

  • В текстовое поле Number of secondary введем требуемое число вторичных обмоток в трансформаторе. Необходимо помнить, что, используя Transformer Designer, можно спроектировать трансформатор максимум с девятью вторичными обмотками. Поэтому в это поле можно вводить только целочисленные значения от 1 до 9. Для трансформаторов Forward Converters (прямоходовых преобразователей) Transformer Designer поддерживает только одну вторичную обмотку.
  • Используемый изоляционный материал выбирается в выпадающем списке Insulation material. Если материал, который необходимо использовать, не доступен в выпадающем списке Insulation Material, можно добавить информацию о нем в базу данных Transformer Designer.
  • В текстовое поле Current Density введем значение плотности тока в обмотке трансформатора (величину тока, протекающего через единичную площадь). Значение плотности тока влияет на потери в обмотке (меди) и выбор проводов для обмотки.
  • В текстовом поле Efficiency зададим желательный КПД для трансформатора, который используется для вычисления требуемой входной мощности.
  • В текстовом поле Regulation укажем требуемое изменение выходного напряжения на нагрузке. Этот параметр необходим только в случае силовых трансформаторов.
  • В текстовое поле Inductance, введем значение индуктивности, требуемое для разрабатываемого DC inductor (дросселя постоянного тока). Индуктивность требуется указывать только для дросселей.

После того как введены соответствующие значения во все поля, нажмем Next для перехода к следующему шагу в Transformer Designer.

На третьем шаге определяется значение электрических параметров, требуемых для разработки индуктивного компонента (рис. 7).

Рис. 7. Третий шаг в разработке трансформатора
Рис. 7. Третий шаг в разработке трансформатора

Электрические параметры могут отличаться в зависимости от типа разрабатываемого индуктивного компонента. В таблице 4 перечисляются электрические параметры, необходимые при разработке различных типов индуктивных компонентов.

Таблица 4. Электрические параметры
Таблица 4. Электрические параметры
  • В текстовом поле Primary Voltage укажем входное напряжение, прикладываемое к первичной обмотке.

Secondary Winding — поле доступное только при разработке трансформатора. В поле Secondary Winding задаются электрические параметры для каждой вторичной обмотки в компоненте. Для трансформаторов с несколькими вторичными обмотками столбец Winding Name указывает название каждой из вторичных обмоток. Это поле недоступно для редактирования.

Число обмоток, которые появляются в столбце Winding Name, равны числу вторичных обмоток, указанных на втором шаге. Чтобы изменить это число, необходимо изменить величину в текстовом поле Number of secondary.

В зависимости от типа разрабатываемого трансформатора для каждой вторичной обмотки необходимо задать один или несколько электрических параметров:

  • В столбец Voltage введем среднеквадратическое напряжение вторичной обмотки.
  • В столбец Current введем среднеквадратический ток вторичной обмотки.

Напряжение и ток вторичной обмотки используются для вычисления выходной мощности.

Turns Ratio (K) — коэффициент трансформации K (отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки). Определяется только в случае трансформаторов прямоходовых преобразователей.

  • В столбце Turns Ratio зададим коэффициент трансформации для каждой вторичной обмотки.
  • В текстовое поле Operating Frequency введем рабочую частоту для трансформатора.
  • В текстовом поле Voltage Isolation зададим зазор или расстояние между вторичной и первичной обмотками.
  • Для прямоходовых преобразователей в текстовом поле Output Power зададим выходную мощность. Для других типов трансформатора выходная мощность вычисляется как сумма мощностей на всех вторичных обмотках.
  • В поле Waveform list выберем тип сигнала, который является входным для трансформатора. Это поле доступно для редактирования только для силовых трансформаторов, где можно задать синусоидальный сигнал или сигнал, имеющий форму меандра.

Maximum Duty Cycle (D) — максимальный рабочий цикл. Максимальный рабочий цикл должен быть определен для трансформаторов прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Для прямоходового преобразователя Double switch (двойной ключ) максимальный рабочий цикл не может быть больше 50%. Максимальный рабочий цикл не должен изменяться в ходе итераций, необходимых для разработки трансформатора.

Для определения значения параметра:

  1. Введем соответствующее значение для каждого параметра.
  2. Для перемещения на следующий шаг процесса разработки трансформатора нажмем Next.

При разработке компонентов в Transformer Designer на четвертом шаге выбираем магнитный сердечник (рис. 8). Выбор сердечника выполняется для всех типов компонентов.

Рис. 8. Четвертый шаг в разработке трансформатора
Рис. 8. Четвертый шаг в разработке трансформатора

Выбор сердечника включает:

  1. Выбор основного изготовителя.
  2. Выбор материала сердечника.
  3. Выбор формы сердечника.
  4. Выбор сердечника с размерами, удовлетворяющими всем конструктивным требованиям.

При использовании Transformer Designer информация, требуемая для первых двух шагов в процессе разработки трансформатора (форма сердечника и материал, используемый для сердечника), вводится пользователем.

Основываясь на вводимых пользователем данных и требуемых технических характеристиках входа и выхода, Transformer Designer вычисляет требуемое произведение площадей WaAe для сердечника. Программа затем просматривает базу данных Transformer Designer для определения списка доступных деталей, которые имеют произведение площадей WaAe, равное или большее, чем расчетное значение. Все детали, которые отвечают этим требованиям, перечисляются в выпадающем списке Vendor Part, как показано на рис. 8.

Transformer Designer отображает полные физические данные для сердечника. Можно прочесть эти данные и завершить выбор сердечника в окне списка Vendor Part.

Для выбора сердечника:

  1. В выпадающем списке Vendor Name выберем желательное название изготовителя.
  2. В выпадающем списке Family Name укажем требуемую конфигурацию сердечника. Список Family Name содержит все конфигурации сердечника, поддерживаемые выбранным изготовителем.
  3. В выпадающем списке Material (рис. 9) выберем материал, который должен использоваться для конструкции сердечника. Этот список также заполняется сведениями из базы данных.
  4. В текстовом поле Operating B зададим для трансформатора рабочую магнитную индукцию. Значение по умолчанию для используемого материала получается из магнитной индукции насыщения и отличается для разных типов трансформаторов.
Рис. 9. Выпадающий список Material
Рис. 9. Выпадающий список Material

Например, для силовых трансформаторов рабочая индукция составляет 75% магнитной индукции при насыщении Bsat. Аналогично, для трансформатора прямоходового преобразователя это значение — 0,75 (Bsat–Br). Значение рабочей индукции используется для расчета произведения площадей WaAe, которое влияет на выбор сердечника.

  1. Аналогично заполняется текстовое поле Utilization Factor. По умолчанию его значение равно 0,6. Если требуется, можно изменить это значение (оно должно быть меньше 1). Коэффициент использования указывает используемую для обмотки площадь окна. Например, коэффициент использования 0,6 указывает, что 60% доступной площади окна будет использовано для обмотки. Если выбрать коэффициент использования меньше, чем 0,6, Transformer Designer предложит сердечник с большей площадью поперечного сечения.
  2. Наконец, чтобы выбрать реальный сердечник, нажмем кнопку Propose Part. Когда нажимается кнопка Propose Part, Transformer Designer генерирует список сердечников, которые отвечают указанным требованиям.

Номер детали в окне списка Vendor Part — реальная деталь, которая наилучшим образом соответствует предъявленным требованиям. Свойства выбранного сердечника отображаются в Core Properties (рис. 8).

Можно либо использовать эту деталь, либо выбрать любую другую деталь из списка Vendor Part. При изменении номера в списке Vendor Part свойства сердечника также изменяются.

  1. После того как выбран сердечник для разрабатываемого индуктивного компонента, нажмите Next.

Пятым шагом в процессе разработки (рис. 10) является выбор каркаса. Каркас размещается между сердечником и обмоткой.

Рис. 10. Пятый шаг в разработке трансформатора
Рис. 10. Пятый шаг в разработке трансформатора

Программа Transformer Designer использует для вычисления размеров каркаса размеры сердечника. Размеры для требуемого каркаса отображаются как ширина окна, высота окна, длина и ширина каркаса. Если в базе данных Transformer Designer есть каркасы с размерами, соответствующими расчетным, они появляются в списке Bobbin Part Number. В противном случае список Bobbin Part Number отображает NO_NAME.

Выбор соответствующего каркаса важен, поскольку его конфигурация влияет на область, доступную для обмоток. В зависимости от конфигурации сердечника размеры каркаса также изменяются.

Выбор провода влияет на такие параметры разработки, как компоновка обмотки и потери в обмотке (меди).

При этом необходимо выбрать:

  1. Тип провода, например, Single или Litz.
  2. Стандарт провода AWG или SWG.
  3. Калибр провода.

Когда Transformer Designer используется для разработки обмотки трансформатора, первые две величины задаются пользователем.

В зависимости от этих данных Transformer Designer выбирает соответствующий калибр провода (измеряется диаметром).

Для выбора провода Transformer Designer сначала вычисляет требуемую площадь поперечного сечения, основанную на среднеквадратическом токе в проводе и приемлемой плотности тока. Он затем просматривает базу данных для поиска проводов, которые имеют площадь поперечного сечения, равную или большую вычисленной площади поперечного сечения.

Transformer Designer поддерживает три типа проводов обмоток:

  • Single — одиночный;
  • Litz — литцендрат;
  • Foil — фольга.

Single — в этом случае для обмотки используется провод, представляющий одну жилу круглого сечения. Для единственного провода обмотки необходимо определить, какой тип провода использовать — AWG или SWG. Основываясь на введенных данных, Transformer Designer выберет из базы данных подходящий диаметр провода.

Litz — указывает на использование для обмотки нескольких параллельных проводов круглого сечения. Несколько изолированных одиночных жил проводов используются вместе для достижения требуемой площади поперечного сечения. Для трансформатора с обмоткой Litz наряду с информацией о диаметре провода Transformer Designer вычисляет также необходимое число жил.

Foil — в этом случае вместо проводов используется тонкая фольга. Для фольговых обмоток Transformer Designer вычисляет толщину и ширину фольги, которая используется в первичной и вторичной обмотке.

Для определения характеристик проводов обмотки выполним следующие шаги:

  1. Определим тип провода, выбирая с помощью переключателей Single, Litz или Foil (рис. 10). Следует отметить, что тип обмотки Foil не поддерживается для тороидальных сердечников.
  2. Определим стандарт провода с помощью переключателей SWG или AWG.
  3. В выпадающем списке Gauge выберем для каждой из обмоток, перечисленных в столбце Winding Name, подходящий калибр провода.
  4. Для завершения процесса разработки и для получения результатов, сгенерированных Transformer Designer, нажмем Next (рис. 11).
Рис. 11. Шестой шаг в разработке трансформатора
Рис. 11. Шестой шаг в разработке трансформатора

Заключительным шагом в процессе разработки является рассмотрение результатов, сгенерированных Transformer Designer. После того как заполнен каркас и выбрана обмотка, Transformer Designer вычислит компоновку обмотки и рабочие параметры для индуктивного компонента.

Результаты процесса разработки отображаются в Results View. Наблюдаемые результаты отображают данные при помощи двух вкладок:

  • Вкладка Manufacturer Report.
  • Вкладка Model View.

Первая вкладка кратко отображает полный процесс разработки. Она обеспечивает список параметров разработки и их соответствующих значений, которые требуются изготовителю для создания компонента. Эта вкладка также позволяет инженерам-разработчикам делать изменения в проекте и выполнять итерации проекта.

Значения параметра проекта отображаются в одном из трех столбцов сообщения, независимо от того, были ли они определены пользователем или рассчитаны Transformer Designer. Столбцы в сообщении — Electrical Specifications (электрические технические требования), Winding Parameters (параметры обмотки) и Calculated Values (вычисленные величины).

Значения, перечисленные в столбцах Winding Parameters и Calculated Values, рассчитываются Transformer Designer после того, как выбран провод обмотки.

Успех или сбой процесса разработки указывается в поле Design Status. В случае ошибки можно изменить некоторые значения и повторно произвести вычисления.

Вкладка Model View отображает текстовое описание Spice-модели, сгенерированной Transformer Designer. Spice-модель сохраняется в файле с расширением .lib.

Таблица 5. Разработка трансформаторов и дросселей постоянного тока с помощью Transformer Designer
Таблица 5. Разработка трансформаторов и дросселей постоянного тока с помощью Transformer Designer

В этой статье мы рассказали о шагах разработки индуктивного компонента. Таблица 5 перечисляет шаги процесса разработки с помощью Transformer Designer.

Литература

  1. Разевиг В. Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: Солон-Р. 2001.
  2. Златин И. Моделирование на функциональном уровне в OrCAD 9.2 // Компоненты и технологии. 2003. № 3 и № 4.
  3. Златин И. В Монте-Карло с OrCAD 9.2 // Компоненты и технологии. 2003. № 5.
  4. Златин И. Графический анализ результатов моделирования в OrCAD 9.2 // Компоненты и технологии. 2003. № 7.
  5. Златин И. Расширенный анализ (Advanced Analysis) и режим анализа Smoke в PSD 15.0 и OrCAD 10.0 // Компоненты и технологии. 2004. № 4.
  6. Златин И. Advanced Analysis и режим анализа Sensitivity в PSD 15.0 и OrCAD 10.0 // Компоненты и технологии. 2004. № 5.
  7. Златин И. Advanced Analysis и режим анализа Optimizer в PSD 15.0 и OrCAD 10.0 // Компоненты и технологии. 2004. № 6, 8.
  8. Златин И. Advanced Analysis и режим анализа Monte Carlo в PSD 15.0 и OrCAD 10.0 // Компоненты и технологии. 2005. № 9.
  9. Златин И. Advanced Analysis и режим анализа Troubleshooting в PSD 15.0 и OrCAD 10.0 // Компоненты и технологии. 2006. № 1.
  10. Златин И. Программа Advanced Analysis и режим анализа Parametric Plotter в OrCAD 10.5 // Компоненты и технологии. 2006. № 2.
  11. Златин И. OrCAD 10.5 для начинающих пользователей // Компоненты и технологии. 2006. № 3, 4.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке