Upload
sidone
View
50
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania. Wykład 9. Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek. Straty mocy w elementach magnetycznych. Straty czynne związane z rezystancja uzwojeń - tzw. „straty w miedzi”. I. I. I max. I min. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Elektroniczne Układy i Elektroniczne Układy i Systemy ZasilaniaSystemy Zasilania
Politechnika Śląska w GliwicachPolitechnika Śląska w GliwicachWydział Automatyki, Elektroniki i InformatykiWydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki
dr inż. Ryszard Siurekdr inż. Ryszard Siurek
Wykład 9Wykład 9
Straty mocy w elementach magnetycznych Straty mocy w elementach magnetycznych Straty czynne związane z rezystancja uzwojeń - tzw. „straty w miedzi”
][WRIPL
2skCu
T
Imin
Imax
t
I
T
t
I
Imax
3T)III(II 2
minminmax2maxsk
3T
II maxsk
Dodatkowe straty mocy czynnej wynikające ze wzrostu częstotliwości
1. Zjawisko naskórkowości (ang. skin effect) I
..
..
..
H
Iw
I+Iw
I+Iw
I-2Iw
Iw
Dwn
Rzeczywistyrozkład prądu
Równoważnyrozkład prądu
Imax
1/e(Imax)
JJ
Dwn - głębokość wnikaniagłębokość wnikania maleje ze wzrostem częstotliwościDla miedzi w temperaturze 100oC można ją wyliczyć z następującego wzoru:
][cmf
7,5D
wn gdzie f – częstotliwość w Hz
Przy częstotliwości 100kHz - Dwn=0,24mm, a przy f=1MHz - Dwn=0,075mm
1,5
2,0
3,0
5,0
10,0
DC
AC
R
R
wnD
d
2 10 1005
Dodatkowy wzrost efektywnej rezystancji występuje dla prze-biegów prostokątnych (odkształ-conych) ze względu na występo-wanie szeregu harmonicznych o wyższych częstotliwościach
2. Efekt zbliżeniowy (ang. proximity effect)
I
I
H
H’
Efekt zbliżeniowy powoduje wykładnicze narastanie gęstości prądu w obszarze bliskim powierzchni każdej warstwy uzwojenia wraz ze wzrostem liczby tych warstw!
.
.
.
.
.
.
. +
+
+
+
+
+
+ ............. +
+++++++++++++ ....................................
1A1A
11 -1-1 +2+2 -2-2 +3+3
Wykres Dowell’a
10-1 1 10
1
10
102
103
wnD
Fhl
FR
RAC=FRRDC
h – zunifikowana grubość warstwydla drutu o średnicy d - h=0,866dDwn – głebokość wnikaniaFl - współczynnik wypełnienia warstwy iedzią
myta dla1Fw
dzF ś
ll
l
zl – liczba zwojów w warstwied – średnica przewoduw - szerokość warstwy P - liczba warstw uzwojenia
PP10
5
4
2
1
0,5
Straty mocy w miedzi:
PCU = IskRAC
2
Ogólne zasady nawijania uzwojeńOgólne zasady nawijania uzwojeń1. Stosowanie przewodów nawojowych o małych średnicach (minimalizowanie d/Dwn) –
w przypadku dużych prądów prowadzenie kilku przewodów równolegle
2. Nawijanie uzwojeń przewidzianych dla dużych prądów taśmą (lub kilkoma równolegle prowadzonymi taśmami) miedzianą o grubości nie prekraczajacej 2Dwn
3. Stosowanie do nawijania uzwojeń linki z wielu cienkich przewodów, izolowanych wzajemnie i specjalnie splatanych tzw. licy
4. Zmniejszanie (w miarę mozliwosci) liczby warstw w uzwojeniach
5. Sekcjonowanie uzwojeń (minimalizowanie efektu zbliżeniowego przez zmniejszanie efektywnej liczby warstw uzwojenia)
Przykład uzwojeń transformatora nawijanego dwoma sposobami
P1 P2 W1 W2 W3
H(Z*I)
P1 P2W3W2W1
H(Z*I)Rozkład polaelektrycznego w
uzwojeniach
Straty w rdzeniu magnetycznym (prądy wirowe, przemagnesowanie)
B [mT]
Prdz
[mW/cm3]
100 200 300
10
100
100k
Hz60
kHz
20kH
z10
kHz
5kHz
T=100oC
Temperatura [oC]
Mo
c st
rat
Mo
c st
rat
Prdz
[mW/cm3]
100
200f=500kHz
f=500kHz
B=0,2T
B=0,1T
f=100kHz
B=0,2T
10020 6040 80
Przyrost temperatury dławika lub transformatoraokreślenie przyrostu temperatury jest istotne ze względu na:
- temperaturę Curie (nieodwracalna możliwość utraty własności magnetycznych)
- dopuszczalną temperaturę materiałów izolacyjnych (normy bezpieczeństwa)
- dopuszczalny przyrost temperatury wewnątrz urządzenia
Korzystamy ze wzorów przybliżonych (empirycznych):
][ CS
)P(P800T o
C
rdzCu
SC - powierzchnia całkowita transformatora [cm2] ][cmAP34S 20,51C
Problem rozproszenia magnetycznego związanego ze szczeliną w dławiku (transformatorze)
opaska miedziana
•szczelinę należy wykonywać tylko w kolumnie środkowej•opaska magnetyczna zmniejsza pole rozproszenia (zakłóceń) ale zwiększa straty•opaska nie może stanowić zwartego zwoju!
Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej)Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej)
ZZp ZZw
TT
DD1
CC RR0U0
Uwe
IITT
II00
IICC
nUwe
IITT
IIpmaxpmax
BB
HH
tL
U(t)ip
weT
gromadzenie energii w takcie Igromadzenie energii w takcie I
2T
ILP
2
ILE
2pmaxp
0
2pmaxp
BBSS
e
wepepepwe
epwe
SBtU
ztBSz
dtdBSzU
SBdtdzU
więca
BB
minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla = = maxmax, , B = BB = Bs, s, UUwe we = U= Uwemaxwemax::
es
maxwemaxpmin SB
Uz
Załóżmy, że wymagana moc wyjściowa PZałóżmy, że wymagana moc wyjściowa P00
maxp
wemax L
UI
p
2we
0 2LU
P
zzpminpmin – ustalone dla wybranego rdzenia – ustalone dla wybranego rdzenia
0ps
PL l
Szczelina konieczna dla osiągnięcia konkretnej mocy wyjściowej
Analiza podstawowych przebiegów w przetwornicy Analiza podstawowych przebiegów w przetwornicy dwutaktowejdwutaktowej
Takt II - tranzystor T wyłączonyTakt II - tranzystor T wyłączony
ZZp ZZw
TT
DD1
CC RR0
Uwe
IITT=0=0
II00
IICC
0UUp
nU0
IIDD
IIDmaxDmax
BB
HH
BBSS
U0
IIDD
’ ’
TT
Energia magnetyczna oddanaEnergia magnetyczna oddanaz rdzeniu pod koniec taktu IIz rdzeniu pod koniec taktu II 2
ILE
2Dmaxw
2
tLU
I(t)iw
0DmaxD
2IL
2
ILEE
2Dmaxw
2pmaxp
21
Z bilansu energetycznego wynika:Z bilansu energetycznego wynika:
(1)(1)
tLU
I(t)iw
0DmaxD (2)(2)
U0
Ro
II0
~~UCLw
IIDmax iiD(t)
Z równania (1) obliczamy:Z równania (1) obliczamy:
2
w
ppmaxDmax zAlLale
L
LII Al - stała rdzeniaAl - stała rdzenia
tak więc:tak więc:nI
Z
ZII pmax
w
ppmaxDmax
Również bilansu energetycznego obliczamy URównież bilansu energetycznego obliczamy U00::
2T
RLIUT
RU
2
IL 0ppmax0
0
20
2pmaxp pod warunkiem, że przepływ strumieniapod warunkiem, że przepływ strumienia
jest nieciągły, czyli jest nieciągły, czyli ’ ’ << T - T -
Dla czasu Dla czasu ’ - I’ - IDD((’) = 0, a więc:’) = 0, a więc:
0
ppmax
0
2p
pmax
0
wDmax
w
0Dmax
nU
LI
Un
LnI
U
LI'
'LU
I0
(3)(3)
(4)(4)
Z zależności (4) wynika:Z zależności (4) wynika: '0
U
IIDD IIDmaxDmax
’ ’ TT
U0(R0)U’0(R’0 < R0)
II0kr0kr
==0,0,55
> 0,5> 0,5
II00
< 0,5< 0,5
1nUU we
0
2T
RLIU 0ppmax0
0
2
2
0 2LfI
nweU
U
Porównaj ze sterowni-Porównaj ze sterowni-kiem STRI!kiem STRI!
U0
Dla R0 < R0kr (I0 > I0kr) strumień w rdzeniu
nie zanika do zera - rozpoczyna się tzw.„przepływ ciągły strumienia magnetycznego”
IIDD
IITT
TT
IITmaxTmax
IIDmaxDmax
IIDminDmin
IDmax = nITmax
IDmin = nITmin
1nUU InI : warunkuz we
0DT