Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania

1. Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania Wykład 9 Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek

2. Straty mocy w elementach magnetycznych Straty czynne związane z rezystancja uzwojeń - tzw. „straty w miedzi” I I Imax Imin Imax t t t t T T Dodatkowe straty mocy czynnej wynikające ze wzrostu częstotliwości 1. Zjawisko naskórkowości (ang. skin effect) I Iw Iw . . . . . . I+Iw H I-2Iw I+Iw

3. 1/e(Imax) Imax Dwn J Rzeczywisty rozkład prądu Równoważny rozkład prądu Dwn - głębokość wnikania głębokość wnikania maleje ze wzrostem częstotliwości Dla miedzi w temperaturze 100oC można ją wyliczyć z następującego wzoru: gdzie f – częstotliwość w Hz Przy częstotliwości 100kHz - Dwn=0,24mm, a przy f=1MHz - Dwn=0,075mm Dodatkowy wzrost efektywnej rezystancji występuje dla prze-biegów prostokątnych (odkształ-conych) ze względu na występo-wanie szeregu harmonicznych o wyższych częstotliwościach 10,0 5,0 3,0 2,0 1,5 2 5 10 100

4. 2. Efekt zbliżeniowy (ang. proximity effect) H I H’ I Efekt zbliżeniowy powoduje wykładnicze narastanie gęstości prądu w obszarze bliskim powierzchni każdej warstwy uzwojenia wraz ze wzrostem liczby tych warstw! . . . . . + + . . . + . . . + . . . + . . + . . . . + . . . + . + . . . 1A + . . . . + + . . . . + . . . . . + + . . . + . . . . . + + . . . + . . . . . + + 1 -1 +2 -2 +3

5. Wykres Dowell’a RAC=FRRDC 103 P FR 10 h – zunifikowana grubość warstwy dla drutu o średnicy d - h=0,866d Dwn – głebokość wnikania Fl - współczynnik wypełnienia warstwy iedzią 5 4 102 zl – liczba zwojów w warstwie d – średnica przewodu w - szerokość warstwy P - liczba warstw uzwojenia 2 10 1 Straty mocy w miedzi: PCU = IskRAC 2 0,5 1 10-1 1 10

6. Ogólne zasady nawijania uzwojeń Stosowanie przewodów nawojowych o małych średnicach (minimalizowanie d/Dwn) – w przypadku dużych prądów prowadzenie kilku przewodów równolegle Nawijanie uzwojeń przewidzianych dla dużych prądów taśmą (lub kilkoma równolegle prowadzonymi taśmami) miedzianą o grubości nie prekraczajacej 2Dwn Stosowanie do nawijania uzwojeń linki z wielu cienkich przewodów, izolowanych wzajemnie i specjalnie splatanych tzw. licy Zmniejszanie (w miarę mozliwosci) liczby warstw w uzwojeniach Sekcjonowanie uzwojeń (minimalizowanie efektu zbliżeniowego przez zmniejszanie efektywnej liczby warstw uzwojenia) Przykład uzwojeń transformatora nawijanego dwoma sposobami P1 W1 W2 W3 P2 P2 W3 P1 W1 W2 H(Z*I) H(Z*I) Rozkład pola elektrycznego w uzwojeniach

7. Straty w rdzeniu magnetycznym (prądy wirowe, przemagnesowanie) Prdz [mW/cm3] 100kHz 60kHz 20kHz 10kHz 100 5kHz Moc strat 10 T=100oC DB [mT] 100 200 300 Prdz [mW/cm3] DB=0,2T 200 f=500kHz DB=0,1T Moc strat f=500kHz 100 DB=0,2T f=100kHz 20 40 60 80 100 Temperatura [oC]

8. Przyrost temperatury dławika lub transformatora określenie przyrostu temperatury jest istotne ze względu na: - temperaturę Curie (nieodwracalna możliwość utraty własności magnetycznych) - dopuszczalną temperaturę materiałów izolacyjnych (normy bezpieczeństwa) - dopuszczalny przyrost temperatury wewnątrz urządzenia Korzystamy ze wzorów przybliżonych (empirycznych): SC - powierzchnia całkowita transformatora [cm2] Problem rozproszenia magnetycznego związanego ze szczeliną w dławiku (transformatorze) opaska miedziana • szczelinę należy wykonywać tylko w kolumnie środkowej • opaska magnetyczna zmniejsza pole rozproszenia (zakłóceń) ale zwiększa straty • opaska nie może stanowić zwartego zwoju!

9. Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej) IT I0 D1 Ipmax IC Uwe R0 C Zp Zw U0 B t IT BS T gromadzenie energii w takcie I DB H minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla t = tmax, DB = Bs, Uwe = Uwemax: Załóżmy, że wymagana moc wyjściowa P0 zpmin – ustalone dla wybranego rdzenia Szczelina konieczna dla osiągnięcia konkretnej mocy wyjściowej

10. Analiza podstawowych przebiegów w przetwornicy dwutaktowej Takt II - tranzystor T wyłączony ID ID D1 I0 IDmax IC dUp T R0 C Zp Zw t t’ B Uwe nU0 U0 BS IT=0 T H Energia magnetyczna oddana z rdzeniu pod koniec taktu II

11. Z bilansu energetycznego wynika: IDmax I0 (1) iD(t) ~ UC Lw Ro (2) U0 Z równania (1) obliczamy: Al - stała rdzenia tak więc: Również bilansu energetycznego obliczamy U0: pod warunkiem, że przepływ strumienia jest nieciągły, czyli t’ < T - t (3) Dla czasu t’ - ID(t’) = 0, a więc: (4)

12. Z zależności (4) wynika: ID IDmax U0(R0) U’0(R’0 < R0) t t’ T Porównaj ze sterowni- kiem STRI! Dla R0 < R0kr (I0 > I0kr) strumień w rdzeniu nie zanika do zera - rozpoczyna się tzw. „przepływ ciągły strumienia magnetycznego” U0 IT g > 0,5 ITmax g =0,5 t T g < 0,5 ID IDmax = nITmax IDmax IDmin = nITmin I0kr I0 IDmin