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變壓器中的銅損

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變壓器中的銅損

    設(shè)計(jì)電源適配器在選擇繞線尺寸時(shí),都是以電流密度為500圓密耳每安培為前提的,并且假設(shè)銅損的計(jì)算公式為 。其中,R為所選導(dǎo)線的直流電阻,通過導(dǎo)線的長度和每英寸的阻抗值(導(dǎo)線規(guī)格表可以查得)可以計(jì)算得到。Irms為電流有效值,根據(jù)電流波形可以計(jì)算出來。
    由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響,繞組損耗往往比大許多。
    當(dāng)變化的磁場(chǎng)穿過線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流,集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都是由渦流產(chǎn)生的。集膚效應(yīng)對(duì)應(yīng)的渦流是由導(dǎo)線自身電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致的,而鄰近效應(yīng)對(duì)應(yīng)的渦流是相鄰的導(dǎo)線或者導(dǎo)線層的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致的。
    由于集膚效應(yīng)的影響,電流流過導(dǎo)體時(shí)趨向于集中在導(dǎo)體表面。集膚深度或者說環(huán)形導(dǎo)電面積與頻率的平方根成反比。因此,頻率越高,導(dǎo)線損失的導(dǎo)電面積越大,從而交流電阻也越大,銅損越多。
    低頻時(shí)集膚效應(yīng)帶來的導(dǎo)線阻抗并不明顯,例如,當(dāng)頻率為25kHz時(shí),導(dǎo)線集膚深度為17.9密耳。
    但是,在傳統(tǒng)的開關(guān)電源中電流波形都為矩形波,按傅里葉展開其高頻分量很大。因此,即使頻率較低,如25kH,由高頻諧波產(chǎn)生的交流電阻也很大,這種情況下還是必須考慮集膚效應(yīng)的。
    相鄰導(dǎo)線或者線圈層與層之間的鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的銅損有可能比集膚效應(yīng)大得多。多層繞組的鄰近效應(yīng)損耗是相當(dāng)大的,一部分原因是感應(yīng)的渦流迫使凈電流只流經(jīng)導(dǎo)線截面的一小部分,增加了交流損耗。最為重要的原因是渦流比原來流經(jīng)導(dǎo)線或者線圈層的凈電流的幅值有可能大好幾倍。在下面的章節(jié)將做定量分析。


集膚效應(yīng)
集膚效應(yīng)早已被人熟知,1915年就有人推導(dǎo)出了集膚深度與頻率之間的關(guān)系式從所示圓形導(dǎo)線的截面圖可以看出受渦流的影響電流只流經(jīng)導(dǎo)線表面極薄的一部分。主電流的流通方向?yàn)镺A,如果沒有集膚效應(yīng)的影響,電流將分布均勻地流過導(dǎo)線。
現(xiàn)在所有沿OA方向的電流都已被垂直于OA軸的磁力線包圍。設(shè)想有一束電流流經(jīng)OA軸,根據(jù)弗萊明右手定則,這部分電流產(chǎn)生的磁通線方向如圖中箭頭所示,從1到2到3再返回到1。
假設(shè)X和Y為導(dǎo)線內(nèi)的兩個(gè)水平環(huán)路,它們位于導(dǎo)線的直徑面上,并且延伸至導(dǎo)線的整個(gè)長度。兩條環(huán)路對(duì)稱分布在導(dǎo)線軸的兩側(cè)。磁通線從X環(huán)路穿出(圖中用“·“表示),從Y軸穿進(jìn)(圖中用“x”表示)。

圓形導(dǎo)線的渦流導(dǎo)致集膚效應(yīng)--導(dǎo)線中心沒有電流,并且英規(guī)電源適配器電流趨向于集中在導(dǎo)體表面。流經(jīng)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)出如ahed和ch環(huán)的電動(dòng)勢(shì),這些電動(dòng)勢(shì)在其環(huán)路周圍產(chǎn)生渦流,并且這些渦流與流經(jīng)環(huán)內(nèi)側(cè)(d和d)的主電流反方向,而與流經(jīng)環(huán)外側(cè)(b和由h)的主電流同方向。因此,電流在導(dǎo)線內(nèi)部被抵消,并集中到導(dǎo)線表面。
根據(jù)法拉第定律,當(dāng)一個(gè)變化的磁場(chǎng)穿過某區(qū)域時(shí),將會(huì)在包圍該區(qū)域的閉合導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律,閉合回路中感應(yīng)電流的方向,總是使得它所激發(fā)的磁場(chǎng)來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。
因此,在環(huán)路X和環(huán)路Y中都將產(chǎn)生感應(yīng)電流,其流向如圖所示。根據(jù)右手定則,X環(huán)路中的電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向,即d-c-b-a-d。這個(gè)方向的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)從環(huán)路的中心進(jìn)入平面,與沿OA軸方向主電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。Y環(huán)路情況類似,渦流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向,即e-f-g-h-e。產(chǎn)生的磁場(chǎng)從環(huán)路的中間穿出平面,與沿OA軸方向主電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反。
注意,沿dc和ef的渦流與沿OA軸電流的方向相反,且有抵消主電流的趨勢(shì);而沿b和gh(繞線外表層)的渦流與沿OA軸主電流的方向相同,有增強(qiáng)主電流的趨勢(shì)。
因此凈電流(渦流和主電流之和)在繞線中心相互抵消,在繞線外表面被增強(qiáng)。所以,高頻時(shí)繞線流過電流的實(shí)際面積小于導(dǎo)線總面積,交流阻抗大于直流阻抗。交流阻抗大小由集膚深度決定。

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| 發(fā)布時(shí)間:2019.04.28    來源:電源適配器廠家
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