1、變壓器繞組損耗分析設(shè)計(jì)與舉例變壓器繞組損耗分析設(shè)計(jì)與舉例陳陳 為為 博士博士福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 教授，博導(dǎo)教授，博導(dǎo)中國(guó)電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事，專(zhuān)家委員會(huì)副主席中國(guó)電源學(xué)會(huì)常務(wù)理事，專(zhuān)家委員會(huì)副主席變壓器與電感器專(zhuān)委會(huì)主任委員變壓器與電感器專(zhuān)委會(huì)主任委員磁性元件的設(shè)計(jì)考慮磁性元件的設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)損耗設(shè)計(jì)損耗設(shè)計(jì)溫升設(shè)計(jì)溫升設(shè)計(jì)eelANL2833. 0)(SPT EMIEMI設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)雜散參數(shù)雜散參數(shù)高頻渦流損耗機(jī)理高頻渦流損耗機(jī)理ri(t)rJ(r)JeddyJsourceJtotalJtotal = Jsource

2、 + JeddyH(t)R-R0JsourceH(t)Jeddy集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)氣隙H(t)Jeddy由于渦流效應(yīng)，導(dǎo)致電流密度分布不均勻，從而引起損耗的增加由于渦流效應(yīng)，導(dǎo)致電流密度分布不均勻，從而引起損耗的增加xi(t)H(t)H1H20L0)()(2xHjxH1)0(HHx2)(HHDxWith)sinh()cosh()(cosh)(21kDkxHxDkHkxJ)sinh()sinh()(sinh)(21kDkxHxDkHxHfjjk2DdxxJLPD20)(2v 繞組交流電阻隨頻率的提高而增大；繞組交流電阻隨頻率的提高而增大；v 繞組交流電阻隨所處磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大；

3、繞組交流電阻隨所處磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大；v 繞組交流電阻隨銅箔寬度繞組交流電阻隨銅箔寬度/導(dǎo)線線徑變化存在一個(gè)最小損耗點(diǎn)。導(dǎo)線線徑變化存在一個(gè)最小損耗點(diǎn)。2106410661068106110700.010.020.030.040.050.041248.62109 103Ptotal fs0.1 103010000 10310 103fs- Results -0204060801000.0050.010.0150.020.0250.030.02528.66079 103Ptotal100 1030.1 103H11000H121044104610481040.00350.00380.00410

4、.00440.00470.0054.62182 1033.78336 103Ptotal100 103w01 1030.2 103w- Results -fH1DP銅箔繞組交流損耗特性銅箔繞組交流損耗特性H1=0f=100KH1=0, f=100K變壓器繞組窗口的磁場(chǎng)分布變壓器繞組窗口的磁場(chǎng)分布激磁磁通漏磁通渦流分布40:2IpIsIm變壓器繞組窗口內(nèi)磁場(chǎng)一般平行于繞組層變壓器繞組窗口內(nèi)磁場(chǎng)一般平行于繞組層MMF(x)IpxH(x)cPccIAHlH110cHc由于 很大PPJAIH/1PccIAHlH22PPJAIH2/22SPccIIAHlH145SPJJH145H1H2H5變壓器繞組窗口

5、內(nèi)磁場(chǎng)的計(jì)算變壓器繞組窗口內(nèi)磁場(chǎng)的計(jì)算x根據(jù)安培環(huán)路定律可計(jì)算根據(jù)安培環(huán)路定律可計(jì)算每層導(dǎo)體兩側(cè)的磁場(chǎng)分布每層導(dǎo)體兩側(cè)的磁場(chǎng)分布MMF(x)IpxMMF(x)IpxMMF(x)Ipx繞組結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的影響繞組結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的影響H(x)J(x)三明治結(jié)構(gòu)三明治結(jié)構(gòu)全交錯(cuò)結(jié)構(gòu)全交錯(cuò)結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)電流 I 選擇導(dǎo)電面積 Aw 頻率f 選擇導(dǎo)線線徑 f選擇需要的股數(shù) n傳統(tǒng)繞組線規(guī)選擇的誤區(qū)傳統(tǒng)繞組線規(guī)選擇的誤區(qū)根據(jù)透入深度d根據(jù)電流密度Jp 選擇盡量粗的導(dǎo)線或更厚的銅箔，以增大導(dǎo)電面積，減低電流密度選擇盡量粗的導(dǎo)線或更厚的銅箔，以增大導(dǎo)電面積，減低電流密度p 對(duì)多股絞線，在一定線徑下，選擇盡量多的

6、股數(shù)，以增大導(dǎo)電面積對(duì)多股絞線，在一定線徑下，選擇盡量多的股數(shù)，以增大導(dǎo)電面積認(rèn)識(shí)誤區(qū)：認(rèn)識(shí)誤區(qū)：只有集膚效應(yīng)，只有集膚效應(yīng)，沒(méi)有鄰近效應(yīng)沒(méi)有鄰近效應(yīng)對(duì)某一股來(lái)說(shuō)，集膚效應(yīng)大大減弱了，但存在其它股電流對(duì)其的鄰近效對(duì)某一股來(lái)說(shuō)，集膚效應(yīng)大大減弱了，但存在其它股電流對(duì)其的鄰近效應(yīng)內(nèi)部鄰近效應(yīng)），股數(shù)越多，內(nèi)部鄰近效應(yīng)越強(qiáng)。應(yīng)內(nèi)部鄰近效應(yīng)），股數(shù)越多，內(nèi)部鄰近效應(yīng)越強(qiáng)。多股絞線渦流損耗機(jī)理多股絞線渦流損耗機(jī)理Solid wireLitz wire低頻高頻Litz wire (0.1mm*100股)1000KHz100KHz1000KHz多股絞線渦流分布比較多股絞線渦流分布比較Solid wire (

7、1.0mm*1股)100KHzI=10I=1 I=1 I=1 I=1 I=1 I=1 I=1 I=1 I=1 I=1H=0H=0.222212120kackacacdcWRIRIRIRIPRkac : 第第k次諧波對(duì)應(yīng)的交流電阻次諧波對(duì)應(yīng)的交流電阻繞組損耗計(jì)算方法繞組損耗計(jì)算方法i(t) waveformHarmonicsIk : 第第k次電流諧波有效值次電流諧波有效值dcRMSWRIP2)sinh()cosh()(cosh)(21kDkxHxDkHkxJfjjk2繞組計(jì)算的簡(jiǎn)化繞組計(jì)算的簡(jiǎn)化Dowell模型模型v Copper foilv Solid wire面積不變厚度不變電阻不變電阻率改

8、變厚度不變電阻不變電阻率改變dxxJLPD20)(2奇次奇次AC直流直流偶次偶次ACip1ip2is1is21TDT0.5T (0.5+D)T推挽變壓器繞組電流的諧波分解推挽變壓器繞組電流的諧波分解(理想波形理想波形)奇次奇次AC MMF 在整個(gè)原邊在整個(gè)原邊(Np1+Np2)與整個(gè)副邊與整個(gè)副邊(Ns1+Ns2)繞組之間平衡繞組之間平衡偶次偶次AC MMF 只在原邊的兩個(gè)繞組之間平衡只在原邊的兩個(gè)繞組之間平衡 (Np1 and Np2)偶次偶次DC MMF 在所有繞組之間平衡在所有繞組之間平衡推挽變壓器繞組電流安匝平衡機(jī)制推挽變壓器繞組電流安匝平衡機(jī)制奇次奇次偶次偶次奇次奇次偶次偶次Np1N

9、p2Ns1Ns2Ns1Ns2Np1Np2推挽變壓器繞組基本結(jié)構(gòu)的考慮推挽變壓器繞組基本結(jié)構(gòu)的考慮磁場(chǎng)強(qiáng)度分布磁場(chǎng)強(qiáng)度分布s1/2 s1/2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 s2/2 s2/2Np2Ns1Np1Ns2Np1=Np2=6Ns1=Ns2=26推挽變壓器繞組設(shè)計(jì)舉例推挽變壓器繞組設(shè)計(jì)舉例原邊繞組電流的波形 副邊繞組電流波形 推挽變壓器繞組電流波形推挽變壓器繞組電流波形*ip2ip1is1is2ip2is21、對(duì)所有繞組標(biāo)出同名端，對(duì)所有電流均以同名端為正方向、對(duì)所有繞組標(biāo)出同名端，對(duì)所有電流均以同名端為正方向2、根據(jù)電流正方向作出各繞組電流波形、

10、根據(jù)電流正方向作出各繞組電流波形1.0(設(shè)設(shè) Duty=0.3)IdcNp1=Np2=6Ns1=Ns2=26tt繞組損耗分析與設(shè)計(jì)的具體步驟繞組損耗分析與設(shè)計(jì)的具體步驟ip11.0tis1t1.01.03、對(duì)各繞組電流作、對(duì)各繞組電流作FFT諧波分解諧波分解s1/2 s1/2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 s2/2 s2/24、作出各層繞組布置圖、作出各層繞組布置圖k: 諧波次數(shù)諧波次數(shù)i: 繞組層號(hào)繞組層號(hào)5、計(jì)算每層導(dǎo)體的電流線密度、計(jì)算每層導(dǎo)體的電流線密度J即每層導(dǎo)體的總安匝即每層導(dǎo)體的總安匝IN除以繞組窗口高

11、度除以繞組窗口高度A）6、計(jì)算每層導(dǎo)體兩邊的磁場(chǎng)強(qiáng)度、計(jì)算每層導(dǎo)體兩邊的磁場(chǎng)強(qiáng)度H1k,i和和H2k,iLayer: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Current density: Js1 Js1 Jp1 Jp2 Jp1 Jp2 Jp1 Jp2 Jp1 Jp2 Jp1 Jp2 Jp1 Jp2 Js2 Js2H1k,3H2k,3Scheme: s1/2 s1/2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 s2/2 s2/2AH1k,iH1xH2xWw0 x7、計(jì)算每層導(dǎo)體中的電流密度分布、計(jì)算每層導(dǎo)體中的電流密度分布J(

12、x)以及交直流損耗單位長(zhǎng)度）以及交直流損耗單位長(zhǎng)度）8、計(jì)算每層導(dǎo)體的各次諧波的交流損耗和直流損耗、計(jì)算每層導(dǎo)體的各次諧波的交流損耗和直流損耗9、計(jì)算原邊繞組和副邊繞組的總損耗、計(jì)算原邊繞組和副邊繞組的總損耗Jdcx 表示高度方向的直流電流線密度Pac和Pdc均表示高度方向的單位損耗D=0.3, Nharm=15, Input DC=0.6A, MLT=1m原邊原邊(Foil)和副邊和副邊(Solid)繞組設(shè)計(jì)曲線與結(jié)果繞組設(shè)計(jì)曲線與結(jié)果原邊原邊(Foil)副邊副邊(Soild)H1xH2xH0H1(n,Jx)=H0+(n-1)*JxH2(n,Jx)=H0+n*JxJx1n02AINt=Tot

13、al Ampere-turn of Ns1Jx=INt/(A*n0)H(n)nNpNpNs2副邊采用副邊采用Litz多股絞線的繞組損耗分析多股絞線的繞組損耗分析D=0.3, Nharm=15, Input DC=0.6A, MLT=1m副邊繞組副邊繞組(Litz線線)設(shè)計(jì)曲線與結(jié)果設(shè)計(jì)曲線與結(jié)果最低繞組損耗設(shè)計(jì)線最低繞組損耗設(shè)計(jì)線f02f02f01f01f03f03變壓器繞組交流電阻的測(cè)量原理變壓器繞組交流電阻的測(cè)量原理RmN1N2LmLk1Lk2R1R2221RnRRsRmLk1n2*Lk2R1n2*R2Lk1n2*Lk2R1n2*R2Lmp 由于線圈交流損耗是線性的，因此可以通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量由于線圈交流損耗是線性的，因此可以通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量p 由于線圈副邊短路，磁芯沒(méi)有磁通和損耗，因此只有繞組損耗由于線圈副邊短路，磁芯沒(méi)有磁通和損耗，因此只有繞組損耗p 對(duì)于變壓器，原邊繞組和副邊繞組的損耗是難以分離的對(duì)于變壓器，原邊繞組和副邊繞組的損耗是難以分離的N1N2N1N2Impedance AnalyzerShortNpNs