Программа Transformer Designer — разработчик трансформаторов в OrCAD 10.5. Урок 4

В этой статье завершается знакомство с выходными данными, генерируемыми программой, и рассказывается о моделях индуктивных компонентов, генерируемых Transformer Designer, а также о базе данных программы Transformer Designer.

Все статьи цикла:

• Программа Transformer Designer в OrCAD 10.5. Урок 1, (Компоненты и технологии №5’2006)
• Программа Transformer Designer в OrCAD 10.5. Урок 2, (Компоненты и технологии №6’2006)
• Программа Transformer Designer в OrCAD 10.5. Урок 3, (Компоненты и технологии №7’2006)
• Программа Transformer Designer — разработчик трансформаторов в OrCAD 10.5. Урок 4, (Компоненты и технологии №8’2006)

Программа Transformer Designer позволяет изменять значения параметров проекта непосредственно в сообщении изготовителя. Когда редактируется значение параметра в сообщении изготовителя, результаты рассчитываются и отображаются мгновенно.

Как было упомянуто ранее, можно изменить значения параметров проекта, которые имеют символ звездочки в сообщении изготовителя. Остальная часть значений параметров доступна только для чтения и не может быть изменена.

Доступные для редактирования параметры:

• Operating flux density (B) — рабочая магнитная индукция. Можно изменить рабочую магнитную индукцию для выбранного материала сердечника так, что измененное значение будет меньше, чем магнитная индукция насыщения B_sat. Transformer Designer сравнивает в базе данных Transformer Designer новое значение B со значением B_sat. Если новое значение, указанное пользователем, больше, чем магнитная индукция насыщения B_sat, ошибочное значение сбрасывается, а первоначальное значение B сохраняется.
• Current Density (J) — плотность тока. Изменение плотности тока инициирует повторный выбор диаметра провода и расчет обмоток. Плотность тока может также влиять на потери в меди трансформатора. Плотность тока обратно пропорциональна размеру компонентов и прямо пропорциональна потерям в меди. Поэтому в трансформаторе увеличение плотности тока увеличивает потери в меди. Следовательно, уменьшение размера трансформатора увеличивает температуру его перегрева.
• Wire Gauge — калибр провода. Если необходимо изменить диаметр провода для одной или более обмоток, основанный на этом изменении расчет обмотки должен быть выполнен повторно. При изменении выбранного диаметра провода необходимо гарантировать, что провод имеет:
  • площадь поперечного сечения равную или большую, чем требуемая площадь;
  • его диаметр меньше удвоенной глубины поверхностного слоя.
• Insulation — изоляция. Изменение параметров изоляционного материала приводит к необходимости пересчета параметров обмотки. Сокращение толщины изоляционного материала уменьшает рассеяние. Пользователю разрешается изменять:
  • Insulation material — изоляционный материал;
  • End insulation — внешний изоляционный материал;
  • Inter layer insulation — внутренний изоляционный материал;
  • Gap between windings — зазор между обмотками.
• GAP — воздушный зазор. Используется только для трансформаторов обратноходовых преобразователей и дросселей. Изменение воздушного зазора приводит к пересчету рабочей магнитной индукции (B), магнитной индукции переменного тока B_ac и индуктивности намагничивания.

Когда редактируется значение параметра в сообщении изготовителя, Transformer Designer создает новый вид сообщения изготовителя — Modified:1 и выводит измененную информацию в новом отображении сообщения изготовителя. Несколько видов сообщения обеспечивают возможность сравнения измененных результатов с первоначальным проектом трансформатора. Каждый раз, когда необходимо изменить параметр разработки, в первоначальном сообщении создается новый вид. Transformer Designer поддерживает максимум четыре вида, которые называются Modified:1, Modified:2, Modified:3 и Modified:4.

В изменяемом сообщении изготовителя можно изменить несколько параметров разработки, а затем обновить проект трансформатора за один шаг. Всякий раз, когда меняется значение параметра проекта в редактируемом сообщении изготовителя, измененное значение параметра отображается красным цветом. Это указывает, что проект пока еще не изменен.

Для изменения проекта:

1. Изменим значение параметра проекта и нажмем Tab. Появится измененное значение, отображенное красным цветом.
2. В раскрывающемся меню View выберем Refresh Design. Можно также нажать кнопку Refresh Design на панели инструментов. Откроется диалоговое окно с вопросом: необходимо сделать изменения в представленном виде или должен быть создан новый вид?
3. Нажмем соответствующую кнопку и рассмотрим результаты изменения.

Может появиться желание изменить проект в тех случаях, когда не выполнено одно или более требований к проекту. Например, если рассчитанный КПД трансформатора меньше, чем КПД, указанный как один из входных параметров, можно изменить параметры проекта так, чтобы потери трансформатора уменьшились, а его КПД увеличился. Дадим несколько рекомендаций для достижения желаемых результатов:

1. Для уменьшения потерь в сердечнике уменьшите значение рабочей магнитной индукции B.
2. Потери в меди могут быть уменьшены снижением плотности тока J.
3. Увеличение плотности тока J уменьшает высоту обмотки.
4. Габариты индуктивного компонента могут быть уменьшены снижением толщины внутренней межслойной изоляции и уменьшением ширины зазора.
5. Уменьшение ширины зазора Lg вызывает уменьшение краевой индукции. В результате FFC также уменьшается.
6. В случае дросселей или трансформаторов обратноходовых преобразователей потери в сердечнике могут быть уменьшены увеличением ширины воздушного зазора Lg.

Spice-модель

После завершения процесса разработки Transformer Designer сгенерирует для трансформатора Spice-модель. Эта модель впоследствии может быть присоединена к символу (условному графическому обозначению компонента — УГО) и использована в разрабатываемой схеме для моделирования трансформатора.

Пример Spice-модели силового трансформатора, сгенерированной Transformer Designer:

Параметры модели силового трансформатора приведены в таблице 14, а схема трансформатора — на рис. 17.

Пример Spice-модели трансформатора для прямоходового преобразователя:

Параметры модели для трансформатора прямоходового преобразователя приведены в таблице 15, а схема трансформатора — на рис. 18.

Пример Spice-модели трансформатора обратноходового преобразователя:

Параметры модели для трансформатора обратноходового преобразователя приведены в таблице 16, а схема трансформатора — на рис. 19.

Пример Spice-модели дросселя:

Параметры модели для дросселя приведены в таблице 17, а схема дросселя — на рис. 20.

Spice-модель позволяет проверить поведение индуктивного компонента в схеме. Для использования Spice-модели в схеме сначала необходимо связать ее с символом и затем использовать этот символ в схеме проекта.

База данных Transformer Designer

При разработке трансформатора нужно определить все необходимые входные и выходные вводимые данные. В зависимости от входных вводимых данных Transformer Designer генерирует список параметров сердечника, которые удовлетворяют критерию выбора. Чтобы сгенерировать этот список, Transformer Designer использует информацию из базы данных Transformer Designer.

База данных Transformer Designer содержит список сердечников, которые имеют различные физические и электрические характеристики и доступны на рынке. Пользователь может входить в базу данных, добавлять новые и удалять устаревшие документы.

Основные элементы, требуемые для разработки простого трансформатора: сердечник, провода для обмоток и изоляционный материал, используемый между сердечником и проводом или между соседними слоями проводов. База данных разработчика индуктивных компонентов содержит информацию обо всех трех типах элементов. Эти продукты с различными физическими и электрическими характеристиками доступны на рынке. В зависимости от требований к проекту можно выбрать один из компонентов в базе данных и разработать трансформатор или дроссель.

База данных, поставляемая с Transformer Designer, автоматически конфигурируется, когда инсталлируется OrCAD 10.5. Можно рассмотреть подробности конфигурации, используя панель управления Windows:

1. Откроем окно Панели управления.
2. Двойным щелчком откроем Администрирование.
3. Двойным щелчком откроем Источники данных (ODBC).
4. На вкладке Системный DSN база данных Transformer Designer сконфигурирована как magdes.

В случае, когда база данных не записана, вы получите сообщение об ошибке, в котором говорится, что в базе данных нет доступной информации.

Для управления базой данных:

1. Запускаем Transformer Designer.
2. В раскрывающемся меню Tools выбираем Data Entry.
3. Выбираем компонент, для которого необходимо изменить или отредактировать данные.
4. В открывшемся диалоговом окне можно перемещаться по базе данных, используя навигационные кнопки внизу окна. Кнопки и их функции перечислены в таблице 18.

Используя Transformer Designer, можно добавлять информацию:

• О компонентах сердечника, поддерживаемых различными изготовителями.
• О проводах, используемых для первичной и вторичной обмоток.
• Об изоляционном материале, используемом между обмотками, а также между сердечником и обмотками.

Для добавления информации о сердечнике:

1. Добавляем данные изготовителя.
2. Добавляем информацию о материале.
3. Добавляем свойства сердечника.
4. Добавляем информацию о каркасе.

Из перечисленных шагов первые три обязательны. Добавление информации о каркасе не обязательно. Поэтому могут быть случаи, когда сердечник не имеет данных о каркасе.

Для добавления данных изготовителя:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Core Details/Vendor. Откроется диалоговое окно Enter vendor.
2. В диалоговом окне Enter vendor (рис. 21) нажмем кнопку New.

Рис. 21. Диалоговое окно Enter vendor
3. Определим данные сердечника, запрашиваемые в диалоговом окне. Для успешного добавления записей в базу данных необходимо определить Manufacturer Name — название изготовителя и Address — адрес, включая Address Extension — расширение адреса. Остальные поля являются необязательными.
4. Для сохранения записи о новом изготовителе нажмем Save.
5. Нажатие кнопки Reset позволяет стереть несохраненные данные во всех полях диалогового окна.
6. Закроем диалоговое окно, нажав для этого кнопку Close.

Кроме того, необходимо добавить информацию о материале, используемом для изготовления сердечника. При разработке трансформаторов должны быть рассмотрены такие свойства, как рабочая частота, рабочая магнитная индукция, потери в сердечнике и рабочие температуры. Эти факторы влияют на выбор материала, используемого для сердечников.

Для добавления информации о материале сердечника:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Core Details/Material. Откроется диалоговое окно Enter Material (рис. 22).

Рис. 22. Диалоговое окно Enter Material

Рис. 23. Кривая намагничивания
2. В открывшемся окне нажмем кнопку New.
3. В разворачивающемся списке Vendor Name выберем изготовителя, для которого необходимо добавить данные.
4. В текстовом поле Material Name введем название материала, используемого для создания сердечника. Название материала берется из справочных данных, предоставляемых изготовителем.
5. Затем определим свойства материала. В таблице 19 перечислены свойства, указываемые для нового материала.
Таблица 19. Свойства, указываемые для нового материала сердечника

6. Введем информацию о потерях сердечника в окно Core Loss Figures. Информация, которую необходимо ввести в это окно, будет использоваться для выведения эмпирической формулы, по которой затем будут рассчитаны потери сердечника на указанной частоте. Информацию о потерях сердечника можно получить в справочных данных, предоставляемых изготовителем. Чтобы успешно сохранить запись в базе данных, необходимо ввести информацию о потерях сердечника не менее чем для двух различных частот. Для каждой частоты необходимо ввести два параметра, характеризующие потери сердечника (табл. 20). Таким образом, необходимо определить не менее четырех установочных значений.
Таблица 20. Пример вводимой информации о потерях сердечника

7. Чтобы добавить новую запись в базу данных, нажмем Save.
8. Закроем диалоговое окно.

Добавление свойств сердечника

Когда необходимо выбрать сердечник для создания трансформатора или дросселя, сначала необходимо выбрать изготовителя и определить используемый материал сердечника. Затем необходимо определить свойства сердечника и каркаса, который используется с сердечником.

Для добавления информации о новом сердечнике необходимо выполнить следующие шаги:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Core Details/Core. Откроется диалоговое окно Enter core (рис. 24).

Рис. 24. Диалоговое окно Enter сore
2. В разворачивающемся списке Vendor Name выберем название изготовителя.
3. В разворачивающемся списке Family Name выберем форму сердечника, для которого нужно добавить данные.
4. В разворачивающемся списке Material выберем материал, используемый для изготовления сердечника. Если требуемый материал не доступен в базе данных, добавим информацию о нем в базу.
5. В текстовое поле Vendor Part Number введем шифр компонента, для которого необходимо ввести информацию в базу данных.
6. Введем свойства сердечника, используя справочные данные, предоставляемые изготовителем.
7. Для сохранения информации в базе данных нажмем Save.
8. Закроем диалоговое окно.

Типы сердечников, поддерживаемые Transformer Designer:

1. EE (рис. 25).

Рис. 25. Сердечник E
2. UU (рис. 26).

Рис. 26. Сердечник U
3. Тороидальный (рис. 27).

Рис. 27. Тороидальный сердечник (тoroid)

Вводимые в базу данных размеры сердечников EE, UU и тороидальных даны соответственно в таблицах 21, 22 и 23.

Расчетные формулы для сердечников EE и UU:

Расчетные формулы для тороидального сердечника:

Для добавления информации о каркасе:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Core Details/Bobbin. Откроется диалоговое окно Enter bobbin (рис. 28).

Рис. 28. Диалоговое окно Enter bobbin
2. В открывшемся окне в разворачивающемся списке Vendor Name выберем название изготовителя каркаса.
3. В списке Family Name выберем тип сердечника, для которого необходимо добавить информацию о каркасе.
4. Введем свойства каркаса.
5. Нажмем кнопку Save.

Параметры, добавляемые для сердечников EE и UU:

1. Ширина окна W_w. Ширина окна каркаса соответствует ширине окна, доступной для обмотки.
2. Высота окна H_w. Высота окна каркаса указывает высоту окна, доступную для обмотки.
3. Bobbin L_x и Bobbin L_y. Эти параметры используются для вычисления средней длины витка MTL для провода обмотки.

Свойства, добавляемые для тороидальных сердечников:

1. Внешний диаметр.
2. Внутренний диаметр.
3. Высота.

Для добавления информации о проводах:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Wire. Откроется диалоговое окно Enter wire data (рис. 29).

Рис. 29. Диалоговое окно Enter wire data
2. Для того чтобы добавить новую запись в базу данных, нажмем кнопку New.
3. В разворачивающемся списке Wire Type выберем тип провода. Поддерживаются провода типов:
   • AWG (American Wire Gauge).
   • SWG (Standard Wire Gauge).
4. Введем номер калибра провода в поле Wire Gauge.

   Номер калибра провода имеет различное значение для различных типов провода. Например, для провода SWG номер калибра 20 относится к проводу 0,0360 дюйма в диаметре, тогда как для AWG он соответствует 0,0320 дюйма в диаметре.

5. Затем введем в поле Cu/Cross Section Area площадь поперечного сечения медного провода в мм².
6. Введем в поле Bare Cu. Wire Diameter диаметр медного провода.
7. Введем в поле Wire Diameter with Insulation диаметр провода с учетом толщины изоляционного материала.
8. Сохраним запись в базе данных.

Для добавления информации об изоляционном материале:

1. В меню Tools выберем Data Entry/Insulation. Откроется диалоговое окно Enter insulation material (рис. 30).

Рис. 30. Диалоговое окно Enter insulation material
2. Нажмем кнопку New.
3. Введем в текстовое поле Material Name название изоляционного материала.
4. Введем в текстовое поле Breakdown Strength электрическую прочность материала в В/мм.
5. В список Thickness (mm) введем доступные значения толщины изоляционного материала.
6. Нажмем Save, чтобы сохранить запись в базе данных.

Файлы шаблона

Для каждого типа индуктивного компонента, поддерживаемого Transformer Designer, доступен файл шаблона, который имеет значения по умолчанию для некоторых из полей, таких как Utilization factor (коэффициент использования) и Current density (плотность тока). Эти значения могут изменяться пользователем внутри Transformer Designer. Файлы шаблона, используемые Transformer Designer, находятся в папке Template (шаблон). Папка Template расположена в <install_dir>/tools/pspice.

Некоторые из значений параметров проекта, которые определены в файле шаблонов и используются для расчетов в процессе разработки трансформатора, не видны пользователю. Например, толщина каркаса берется в файле шаблонов и используется для вычисления площади окна, доступной для обмотки. Таблица 24 перечисляет данные, вводимые в файл шаблона, наряду со значениями по умолчанию для каждого введенного данного.

Для редактирования или изменения значений в файлах шаблона Transformer Designer откройте файл шаблона в текстовом редакторе, сделайте требуемые изменения и сохраните файл с расширением .mgt.

Transformer Designer обеспечивает один файл шаблона для каждого поддерживаемого типа индуктивного компонента, например, BOBIN_THICK 1. По умолчанию толщина стенки каркаса принята 1 мм. Толщина стенки каркаса используется в ситуациях, когда в базе данных для выбранного сердечника нет соответствующих доступных каркасов. Программа Transformer Designer использует толщину каркаса для вычисления площади окна, доступной для обмотки. Это значение нельзя изменить через Transformer Designer. Пользователь должен изменить его непосредственно в файле шаблона.

Для каждого типа трансформатора можно изменить соответствующий файл шаблона и настроить значения по умолчанию для таких параметров проекта, как коэффициент использования и геометрия сердечника.

Кривая намагничивания

Когда используется Spice-модель трансформатора, сгенерированная Transformer Designer, можно рассмотреть в окне Probe кривую намагничивания для трансформатора.

Для отображения кривой намагничивания (B-H) выполним следующие шаги.

1. Отредактируем профайл моделирования:
   • а. В меню Simulation выберем Edit Profile.
   • б. В диалоговом окне Simulation Setting выберем вкладку Data Collection.
   • в. Установим опцию сбора данных для Voltages, Currents, Power и Digital в положение All.
   • г. Чтобы закрыть диалоговое окно, нажмем OK.
2. Промоделируем проект.
3. Отобразим величину H по оси X:
   • а. В меню Plot выберем Axis Settings.
   • б. На вкладке X Axis диалогового окна Axis Settings нажмем кнопку Axis Variable.
   • в. В диалоговом окне X Axis Variables установим галочку в окошко Subcircuit Nodes. Опция Subcircuit Nodes будет разрешена, только если опция сбора данных установлена в All.
   • г. В списке Simulation Output Variables выберем H и затем нажмем кнопку OK.
4. Добавим график для кривой B-H:
   • а. В диалоговом окне Add Traces установим галочку Subcircuit Nodes. Опция Subcircuit Nodes будет разрешена, только если опция сбора данных установлена в All.
   • б. Выберем кривую B и нажмем OK. На рис. 31 показана схема проверки трансформатора, рассчитанного программой Transformer Designer, и приведена его кривая намагничивания.

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, 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.
12. Златин И., Хамзин Н. Программа Transformer Designer (разработчик трансформаторов) в OrCAD 10.5 // Компоненты и технологии. 2006. № 5, 6, 7.