Москатов Е.А. Источники питания (2011) (1096749), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Так, при использовании толстого провода на высокой частоте радиус проводника многократно больше глубины поверхностного слоя, и потери в обмотке будут намного больше, чем при использовании относительно тонкого провода. Потери на вихревые токи возрастают намного быстрее, чем падают потери на омическое сопротивление. 43 Компоненты источников питэния Внутри проводника от его центра к поверхностному слою будут течь вихревые токи, разогревающие проводник. Причем, чем больше сечение одножильного проводника и чем выше частота, тем больше будет сила вихревых токов, и тем сильнее будет нагрев. Разогрев проводника, не приводящий к разрушению компонента, в данном случае не слишком вреден, поскольку потери на скин-эффект с ростом температуры провода снижаются ввиду увеличения удельного сопротивления.
Предположим, частота очень высока (например, более 4 МГц), а генератор способен отдавать мощность в десятки киловатт. С увеличением диаметра провода растет выделение тепла в нем, и при определенном, очень большом диаметре (например, несколько сантиметров) индуктивный компонент может выйти из строя от перегрева, вызванного вихревыми токами. Сделаем вывод: может найтись настолько высокая частота и столь большой диаметр одножильного провода, при которых моточное изделие сгорит из-за теплового действия вихревых токов.
По этой причине обмотки индуктивных компонентов, работающих на высоких частотах, обычно выполняют одним из следующих способов: ° специальным многожильным проводом с большим числом изолированных друг от друга жил для получения большой площади сечения; ' проводники выполняют из тонкой металлической ленты, причем толщина ленты не должна превышать глубину проникновения тока; ° используют тонкостенную серебряную или посеребренную трубку для пропускания больших токов.
Обычно внутри трубки прокачивают жидкостный охладитель, причем жидкость обязательно должна обладать диэлектрическими свойствами на частоте пропускаемого тока. Потери на вихревые токи не всегда вредны. Например, на тепловом действии вихревых токов основан принцип действия печей индукционного нагрева (о таких печах будет рассказано позже). Явление скин-эффекта можно наблюдать не только при создании магнитного поля самим проводником при пропускании через него переменного тока, но и при помещении проводника во внешнее переменное магнитное поле.
2.3.10. Расчет мощности добавочных потерь для однослойной тороидальной катушки В результате вытеснения токов на высокой частоте увеличивается отношение полного сопротивления проводника на переменном токе к сопротивлению потерь на постоянном токе. Как нам уже известно, это отношение называют коэффициентом добавочньтк потерь и обозначают Кдс/Кос. Расчет коэффициента добавочных потерь для сигнала синусоидальной формы был предложен Доуэллом (0отме11) в августе 1966 года (255]. Предположим, мы хотим найти коэффициент добавочных потерь К„с/Кос для катушки с однослойной обмоткой, намотанной на тороидальный магнитопровод проводом круглого сечения.
Для этого проведем следующие несложные вычисления по упрощенной методике, выведенной автором данной книги. Найдем эквивалентный диаметр многожильного провода Опр в обмотке, мм: г)пр=д ~/Я где 6 — диаметр одной жилы в проводе с учетом толщины изоляции, мм; Х вЂ” число жил в проводе. 2.з. метенные компоненты 49 Для одножильного провода Опр = д, а для многожильного эквивалентный диаметр будет вычислен по приведенной выше формуле. Вычислим незаполненный, остаточный внутренний диаметр кольца Ьост после выполнения обмотки, мм: Ьост = Ьмагн — 2 1тиз — 2.
Опр, где Ьмагн — внутренний диаметр магнитопровода, мм; 1тиз — толщина изоляции, проложенной между проводом обмотки и магнитопроводом для защиты изоляционного покрытия провода от повреждения острыми кромками магнитопровода, мм. Определим длину средней линии 1.ср.л слоя обмотки, мм: 1.ср.л = х (Ьост — Опр). Вычислим коэффициент заполнения обмотки проводом в осевом направлении Ез.ос: кз.ос = (Опр Ч/) / 1.ср.л, где % — число витков обмотки. Найдем относительную ширину провода у в осевом направлении для многожильного провода: и Дз.ос где Л вЂ” глубина проникновения тока в толщу проводника, мм.
Если провод одножильный, то в формулу вместо д записываем Опр. Если у > 4, то коэффициент добавочных потерь можно сразу найти по упрощенной формуле [38, с. 187): Кхс/Кос=(Х 2 Ссл'+1)/5, где Сел — число слоев обмотки (в нашем случае однослойной обмотки равно 1). Если у < 4, то для вычисления коэффициента добавочных потерь можно сначала найти параметры у и ~!т для подстановки в формулу Доуэлла [! 77, с. 57]: з1п[т(2 2)+з1п[2 2) 1/'= Х' созЦ2 у) — сов[2 2) з[п)т х — з[п т як=2 т. сов)з2+соз т Теперь можно вычислить коэффициент добавочных потерь по формуле Доуэлла для провода круглого сечения: "скк =9т+0,2.(Солт — 1) р Если бы провод был прямоугольного сечения, то формула Доуэлла приняла бы следующий вид [! 77, с. 57): Я„ / Сел' -1 к"/1 = 9т+ Чк / ос 3 50 Компоненты источников питания Теперь, если известны омические потери в обмотке, можно найти мощность потерь на вихревые токи [38, с.
1471, [128, с. 15, 651, [25, с. 1581; Рвихр = Ром (Кяс/Кос — 1), где Ром — мощность омических потерь в обмотке. На этом простейшая методика расчета коэффициента добавочных потерь окончена. Коэффициент добавочных потерь катушки, состоящей из нескольких витков провода, всегда больше 1. Чем больше коэффициент добавочных потерь, тем больше потери в обмотке.
Если обмотка высокочастотного индуктивного компонента содержит много слоев, то потери в обмотке могут стать катастрофическими, и компонент сгорит от перегрева. На высокой частоте потери на вихревь<е токи в обмотках доминируют над другими видами потерь в них, и поэтому при проектировании индуктивных компонентов, функционирующих на частотах от 500 кГц и выше, необходилю обязательно вычислить коэффициент добавочнь<х потерь и учесть потери. 2.3.11. Эффект близости Эффект близости (по-английски — "ргохнпйу ейесг") заключается в перераспределении высокочастотных токов в проводниках, расположенных в непосредственной близости друг от друга, ввиду векторного сложения их магнитных полей.
Эффект близости, как и скин-эффект, — это следствие возникновения магнитного поля и протекания вихревых токов. Наиболее остро он проявляется в многослойных высокочастотных катушках в виде колоссального увеличения потерь. Если взять два проводника, разместить их близко друг к другу и пропустить через них токи в одном направлении, то наибольшая плотность токов будет на противоположных друг от друга краях проводников. Если поменять направление протекания тока в одном проводнике, то можно будет наблюдать максимальную плотность токов на наиболее близких друг к другу краях проводников. Величину эффекта близости учитывают коэффициентом близости, который обозначают символами кб". Чем ближе друг к другу расположены проводники, тем сильнее проявляется эффект близости. Чем больше слоев в обмотках, тем пагубнее последствие эффекта близости. 2.3.12. Кольцевой и концевой эффекты и эффект внец<него проводника Кольцевой эффект — это частный случай эффекта близости.
Он обусловлен теми же причинами, что и скин-эффект. Если скрутить провод в спираль и пропустить через него высокочастотный ток, то на наружной стороне спирали плотность тока в проводе будет минимальной, а на внутренней стороне — максимальной. В результате кольцевого эффекта ток течет, в основном, через внутреннюю поверхность катушки, что приводит к неравномерному прогреву провода.
Концевой эффект проявляется в повышенном тепловыделении на крайних участках обмоток многовнтковь<х катушек ввиду неравномерного градиента магнитного поля. Этот эффект зависит от геометрии магнитопровода и обмоток. Перегрев провода и гильзы на краях обмотки и выход из строя по этой причине трансформатора или дросселя — вот действие потерь на концевой эффект, Если рядом с проводником, по которому течет высокочастотный ток, поместить экран или металлическую арматуру, то в них, согласно закону электромагнитной индукции, начнет течь ток, противоположный по направлению вызвавшему его то- 2 3 Метенные компоненты 51 ку.
Этот эффект получил название эффекта внешнего проводника и представляет собой частный случай эффекта близости. Из-за эффекта внешнего проводника возникает тепловыделение в электростатических экранах и в металлических изделиях, вокруг токоведущего проводника. 2.3.13. Литцендрат и транспозиции Известно, что провод обмоток, через который течет ток высокой частоты, с целью значительного уменьшения потерь на скин-эффект лучше взять не толстым одножильным, а выполнить из большого количества свитых специальным образом, значительно более тонких жил-проводников. При этом очень важно, чтобы длина всех жил была одинакова, иначе через них будут течь циркулирующие токи, разогревающие провод. Каждая жила многожильного провода должна находиться на одинаковом расстоянии от его центра, в противном случае через ту часть жил, что расположена ближе к центру провода, ток течь практически не будет.
Для того чтобы сделать распределение токов через жилы более равномерным, свивая жилы, их перекладывают определенным образом друг относительно друга, т.е. осуществляют транслозит1ию «38, с, 161]. Транспозицией также является вариант укладки проводов обмоток на магнитопровод. Так, например, широко распространено выполнение первичной обмотки трансформаторов роз!т-ри!1 преобразователей намоткой одновременно в два провода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
