開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法(編輯修改稿)
2025-01-11 02:09 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 骨架材料 :開關(guān)變壓器骨架與一般的變壓器骨架不同 ,除了作為線圈的絕緣與支撐材料外 ,還承擔(dān)了整個(gè)變壓器的安裝固定和定位的作用 ,因此制作骨架的材料除了滿足絕緣要求外 ,還應(yīng)有相當(dāng)?shù)目估瓘?qiáng)度 ,同時(shí)為了承受引腳的耐焊接熱 ,要求骨架材料的熱變形溫度高于 200℃ ,材料必須達(dá)到阻燃 ,且還應(yīng)加工性好 ,易于加工成各種形狀 。 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法 6 3 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì) 要求 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)要求 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)要求包括磁芯參數(shù) ,線圈參數(shù)等內(nèi)容 。 1. 磁芯參數(shù) 高頻電源變壓器磁芯參數(shù)設(shè)計(jì)中 ,要特別注意工作磁通密度不只是受磁化曲線限制 ,還要受損耗的限制 ,同時(shí)還與功率傳送的工作方式有關(guān) .對(duì)變壓器功率 傳送方式磁通雙方向變化工作模式 ,ΔB ＝ 2Bm,工作的磁滯回線包圍的面積比局部回線大得多 ,損耗也大得多 ,Bm 主要受損耗限制 ,還要注意由于各種原因造 成激磁的正負(fù)變化的面積不相等而出現(xiàn)直流偏磁問題 ,可以在磁芯磁路中加一個(gè)小氣隙或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加入隔直流電容或者采用電流型控制來解決 。 2. 線圈參數(shù) 高頻開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)的線圈參數(shù)包括 :匝數(shù) ,導(dǎo)線截面 (直徑 ),導(dǎo)線形式 ,繞組排列和絕緣安排等 .原繞組匝數(shù)根據(jù)外加激磁電壓或者原繞組激磁電 感 (儲(chǔ)存能量 )來決定 ,匝數(shù)不能過多 ,也不能過少 .如果匝數(shù)過多 ,會(huì)增加漏感和繞線工時(shí) 。如果匝數(shù)過少 ,在外加激磁電壓比較高時(shí)有可能使匝間電壓降和層間 電壓降增大須加強(qiáng)絕緣 ,副繞組匝數(shù)由輸出電壓來決定 。 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法 7 4 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法 概述 許多工程電磁場問題都可歸結(jié)為在給定邊界條件下求解其控制方程的問題。 但只有少數(shù)問題能夠用解析的方法求出精確解，這類問題往往是方程性質(zhì)比較簡單，幾何邊界相 當(dāng)規(guī)則。而對(duì)于大多數(shù)工程技術(shù)問題，由于研究對(duì)象的幾何形狀比較復(fù)雜或者問題的某些特征是非線形的，則很少有解析解。對(duì)于這類問題往往有兩種解決方法：一是將方程和邊界條件簡化為容易處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解。這種方法只在有限的情況下是可行的，因?yàn)檫^多的簡化可能導(dǎo)致解與實(shí)際值偏差很大或者甚至是荒謬的。另一種方法是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，使用數(shù)值模擬方法求得滿足工程要求的數(shù)值解。高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)，由于所涉及的幾個(gè)主要變量是非線性的，因此目前國內(nèi)外對(duì)高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)主要有兩類方法，一類是簡化 求解；一類是數(shù)值模擬 簡化求解 高頻開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)相對(duì)于低頻要復(fù)雜得多，諸如趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、疇壁共振等許多因素在低頻下可被忽略， 而在高頻下卻變得十分重要。 以下幾個(gè)問題是高頻變壓器設(shè)計(jì)中討論最多的問題。 趨膚深度 當(dāng)導(dǎo)線中流過高頻交流電流時(shí)， 電流將向?qū)Ь€表面集中，導(dǎo)致導(dǎo)線表面電流密度增大。這種現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。由于趨膚效應(yīng)，交變電流沿導(dǎo)線表面向?qū)Ь€中心衰減，當(dāng)衰減到表面電流強(qiáng)度的 1/e 時(shí)所達(dá)到的徑向深度，稱之為趨膚深度。趨膚深度與電流的頻率、導(dǎo)線的磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率有關(guān)，其關(guān) 系為： D = f ???? （ 1） 式中， f 為頻率， 181。 為導(dǎo)線磁導(dǎo)率， r 為導(dǎo)線電阻率。其中 r 是一個(gè)隨溫度變化的量，對(duì)銅導(dǎo)線來說， ρ (T)＝ [1＋ (T－ 20)] nΩ m （ 2） 由 (1)、 (2)式可知，隨著溫度的升高，直流電阻線性增大，交流電阻由于趨膚深度增大而有所減小。其相應(yīng)的繞組損耗得到部分的補(bǔ)償。 交流電阻系數(shù) 交流電阻系數(shù)是變壓器繞組的交流電阻與直流電阻之 比，是高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法 8 Dowell 在 1966 年提出了著名的 Dowell 模型， 給出了交流電阻與直流電阻之間的換算系數(shù) ： Kr=y[M(y)+2/3(m2－ 1)D(y)] 其中， y=hc/δ ， hc 為導(dǎo)體厚度 ( 對(duì)圓導(dǎo)線 hc = sd/ ， d為導(dǎo)線直徑， s 為繞線中心之間距離）； δ 為 100℃時(shí)的趨膚深度 δ = f ， m為層數(shù) ： M( y )= {sinh( 2y) + sin( y)}/ {cosh( 2y) cos(y)} D( y )= {sinh( 2y) sin( y)}/ {cosh( 2y)+ cos(y)} 此后這一系數(shù)便成了高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。首先，很多論文認(rèn)為Dowell 的結(jié)論盡管有不足之處，但因其使用方便，且與實(shí)際值差別不大，因此加以引用。 有試驗(yàn) 驗(yàn)證了 Dowell 模型，作者制作了一臺(tái)變壓器，磁芯由兩塊相同的 Q型磁芯組成，用 HP4194A 阻抗分析儀測試，得到如圖 1所示曲線 。 圖 1 交流電阻的計(jì)算值與測試值比較 :(a)初次級(jí)分開 布置時(shí)的交流電阻 (b)次級(jí)被夾于初級(jí)之間時(shí)的交流電阻 從圖 1可知，交流電阻的理論值和實(shí)測值很接近，只是實(shí)測的交流電阻值較理論值稍大一些，這主要是由于 Dowell 模型假設(shè)漏磁平行導(dǎo)體交界面分布， 這只有在導(dǎo)體的寬度和厚度之比很大時(shí)才近似成立， 而且也沒有考慮導(dǎo)體之間的鄰近效應(yīng)以及氣隙的邊緣效應(yīng)。 但由于理論值和實(shí)測值的偏差不大， 因此還是很適用于高頻變壓器繞組的交流電阻和漏感的預(yù)測。 變壓器的功率損耗 開關(guān)電源變壓器的設(shè)計(jì)方法 9 變壓器的輸入功率 Pi 與輸出功率 Po之差是變壓器功率損耗。功率損耗可以分解成 兩個(gè)分量：磁芯損耗 (又稱為鐵損 ) PFe 和繞組損耗 (也稱為銅損 ) PCu ，總損耗 PS = PFe + PCu。 數(shù)值模擬 目前常用的數(shù)值模擬方法主要有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，其中最常用的是有限元法， 有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。 國際著名的通用有限元軟件有幾十種，常用的有： SAP、ANSYS、 ANSOFT、 NASTRAN、 ADINA、 ALGOR FEM 等，其中 ANSYS、 ANSOFT、 NASTRAN 軟件是變壓器分析中最常用的 軟件。 利用有限元軟件可以有效地分析變壓器的電感、電容、渦流、磁通密度、電流密度、電磁場分布、能量損耗、溫升等。 有限元分析的過程主要有三步：前處理、求解計(jì)算及后處理。 前處理階段主要的工作是選擇分析模塊 、 定義單元類型和材料特性、建立實(shí)體模型、對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加載荷和邊界條件等。求解計(jì)算階段主要的工作是選擇求解類型
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