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1、变压器绕组损耗分析设计与举例,陈 为 博士 福州大学电气工程与自动化学院 教授，博导 中国电源学会常务理事，专家委员会副主席 变压器与电感器专委会主任委员,磁性元件的设计考虑,结构设计,电气设计,损耗设计,温升设计,EMI设计,杂散参数,高频涡流损耗机理,r,i(t),r,J(r),Jeddy,Jsource,Jtotal,Jtotal = Jsource + Jeddy,H(t),R,-R,0,Jsource,H(t),Jeddy,集肤效应,邻近效应,气隙,H(t),Jeddy,由于涡流效应，导致电流密度分布不均匀，从而引起损耗的增加,x,i(t),H(t),H1,H2,0,L,With,
2、D,绕组交流电阻随频率的提高而增大； 绕组交流电阻随所处磁场强度的增大而增大； 绕组交流电阻随铜箔宽度/导线线径变化存在一个最小损耗点。,f,H1,D,P,铜箔绕组交流损耗特性,H1=0,f=100K,H1=0, f=100K,变压器绕组窗口的磁场分布,激磁磁通,漏磁通,涡流分布,变压器绕组窗口内磁场一般平行于绕组层,MMF(x),Ip,x,H(x),mc,由于 很大,H1,H2,H5,变压器绕组窗口内磁场的计算,x,根据安培环路定律可计算每层导体两侧的磁场分布,MMF(x),Ip,x,MMF(x),Ip,x,MMF(x),Ip,x,绕组结构对磁场的影响,H(x),J(x),三明治结构,全交错
3、结构,一般结构,电流 I 选择导电面积 Aw,频率f 选择导线线径 f,选择需要的股数 n,传统绕组线规选择的误区,根据透入深度d,根据电流密度J,选择尽量粗的导线或更厚的铜箔，以增大导电面积，减低电流密度 对多股绞线，在一定线径下，选择尽量多的股数，以增大导电面积,认识误区：,只有集肤效应， 没有邻近效应,对某一股来说，集肤效应大大减弱了，但存在其它股电流对其的邻近效应（内部邻近效应），股数越多，内部邻近效应越强。,多股绞线涡流损耗机理,Solid wire,Litz wire,低频,高频,Litz wire (0.1mm*100股),1000KHz,100KHz,1000KHz,多股绞线涡
4、流分布比较,Solid wire (1.0mm*1股),100KHz,I=10,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,I=1,H=0,H=0,Rkac : 第k次谐波对应的交流电阻,绕组损耗计算方法,i(t) waveform,Harmonics,Ik : 第k次电流谐波有效值,绕组计算的简化Dowell模型,Copper foil,Solid wire,面积不变,厚度不变 电阻不变 电阻率改变,厚度不变 电阻不变 电阻率改变,奇次AC,直流,偶次AC,推挽变压器绕组电流的谐波分解(理想波形),奇次AC MMF 在整个原边(Np1+Np2)与整个副边(Ns1+
5、Ns2)绕组之间平衡 偶次AC MMF 只在原边的两个绕组之间平衡 (Np1 and Np2) 偶次DC MMF 在所有绕组之间平衡,推挽变压器绕组电流安匝平衡机制,奇次,偶次,奇次,偶次,Np1,Np2,Ns1,Ns2,Ns1,Ns2,Np1,Np2,推挽变压器绕组基本结构的考虑,磁场强度分布,s1/2 s1/2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 s2/2 s2/2,Np2,Ns1,Np1,Ns2,Np1=Np2=6 Ns1=Ns2=26,推挽变压器绕组设计举例,原边绕组电流的波形,副边绕组电流波形,推挽变压器绕组电流波形,ip2,ip1,is1,is2
6、,ip2,is2,1、对所有绕组标出同名端，对所有电流均以同名端为正方向,2、根据电流正方向作出各绕组电流波形,1.0,0.5,0.2,0.7,(设 Duty=0.3),Idc,Np1=Np2=6 Ns1=Ns2=26,t,t,绕组损耗分析与设计的具体步骤,ip1,1.0,0.5,0.2,0.7,t,is1,t,1.0,1.0,3、对各绕组电流作FFT谐波分解,s1/2 s1/2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 p1 p2 s2/2 s2/2,4、作出各层绕组布置图,k: 谐波次数 i: 绕组层号,5、计算每层导体的电流线密度J（即每层导体的总安匝IN除以绕组窗口高
7、度A）,6、计算每层导体两边的磁场强度H1k,i和H2k,i,A,H1k,i,H1x,H2x,Ww,0,x,7、计算每层导体中的电流密度分布J(x)以及交直流损耗（单位长度）,8、计算每层导体的各次谐波的交流损耗和直流损耗,9、计算原边绕组和副边绕组的总损耗,Jdcx 表示高度方向的直流电流线密度,Pac和Pdc均表示高度方向的单位损耗,D=0.3, Nharm=15, Input DC=0.6A, MLT=1m,原边(Foil)和副边(Solid)绕组设计曲线与结果,原边(Foil),副边(Soild),H1x,H2x,H0,H1(n,Jx)=H0+(n-1)*Jx,H2(n,Jx)=H0+
8、n*Jx,Jx,1,n0,2,A,INt=Total Ampere-turn of Ns1,Jx=INt/(A*n0),H(n),n,Np,Np,Ns2,副边采用Litz多股绞线的绕组损耗分析,D=0.3, Nharm=15, Input DC=0.6A, MLT=1m,副边绕组(Litz线)设计曲线与结果,最低绕组损耗设计线,f=0.2,f=0.1,f=0.3,变压器绕组交流电阻的测量原理,Rm,N1,N2,Lm,Lk1,Lk2,R1,R2,Rm,Lk1,n2*Lk2,R1,n2*R2,Lk1,n2*Lk2,R1,n2*R2,Lm,由于线圈交流损耗是线性的，因此可以通过阻抗分析仪测量 由于线圈副边短路，磁芯没有磁通和损耗，因此只有绕组损耗 对于变压器，原边绕组和副边绕组的损耗是难以分离的,N1,N2,N1,N2,Impedance Analyzer,Short,Np,Ns,变压器绕组损耗测量原理,RPkac for k=奇次,RPkac for k=偶次,变压器绕组损耗测量-推挽变压器,Ip,Ip,谢 谢！,