Bez tytu³u-4 - Serwis Elektroniki

Praca transformatora w uk³adach zasilaczy impulsowychpr¹dywirowepolezewnêtrznepolewytwarzaneprzezpr¹dy wiroweRys.2.9. Pr¹dy wirowe indukowane w przewodniku poddzia³aniem zewnêtrznego pola magnetycznegoprostopad³ego do osi przewodnika.LAYER21(A) 04321(B) 054321(C) 0-1-2-3IST1 2 ND 3 RD 4 TH 5 TH LAYER 1 ST 2 ND 3 RD 4 TH 5 TH201003002001000543210-1-2-3Rys.2.10. Efekt zbli¿enia w uzwojeniu transformatora o5 warstwach(A) - rozk³ad gêstoœci pr¹du(B) - rozk³ad strat (mocy) w kolejnych warstwachuzwojenia(C) - rozk³ad strumienia magnetycznego wobrêbie uzwojeniaI - œrednica przewodu ϕ = 0.59II - œrednica przewodu ϕ = 2.IInego i po obu stronach przewodnika kierunek ich bêdzie przeciwny.Oczywiœcie pr¹dy wirowe wytwarzaj¹ równie¿ swojepole magnetyczne, które deformuje kszta³t pola zewnêtrznego,zaznaczono to lini¹ przerywan¹ na rys.2.9, jednak dlauproszczenia analizy wp³yw ten zostanie w dalszej czêœci opisupominiêty.Z tej uproszczonej analizy zjawiska mo¿na ju¿ dostrzecjedn¹ z istotnych ró¿nic miêdzy zjawiskiem naskórkowoœci izjawiskiem zbli¿enia. Zjawisko naskórkowoœci powodujezmniejszenie efektywnego przekroju przewodnika, w którymp³ynie pr¹d wysokiej czêstotliwoœci, ale nie powoduje zwiêkszeniaefektywnej wartoœci tego pr¹du. Zjawisko zbli¿enia natomiastpowoduje wzrost efektywnej wartoœci pr¹du i zwi¹zanez nim rezystancyjne straty mocy. Wzrost pr¹du (efektywnejwartoœci) zwi¹zany jest w³aœnie z tym, ¿e kierunek pr¹dówwirowych w czêœci przewodnika jest przeciwny do kierunkupr¹du Ÿród³owego. Najproœciej wyobraziæ sobie sytuacjê,¿e pr¹d Ÿród³owy jest równy zeru, a straty wiropr¹doweistniej¹.Efekt zjawiska zbli¿enia nie jest jednakowy dla wszystkichzwojów lub warstw tego samego uzwojenia, poniewa¿, jak zosta³oto wyjaœnione wczeœniej, Ÿród³em wszystkich problemówjest pole rozproszone, a to nie jest w ca³ym obszarze uzwojeñjednakowe. Rozk³ad tego pola w najprostszym przypadkudwóch uzwojeñ (pierwotnego i jednego wtórnego) transformatorazasilacza pracuj¹cego w konfiguracji forward przedstawionow p.2.1 na rys.2.1 i 2.2. Nale¿y siê zatem spodziewaæ,¿e efekt zbli¿enia bêdzie silniejszy dla zewnêtrznychwarstw uzwojenia pierwotnego i wewnêtrznych uzwojeniawtórnego. Tak jest w rzeczywistoœci. Rozk³ad gêstoœci pr¹duw kolejnych warstwach przedstawiono na rys.2.10.W praktyce in¿ynierskiej dla uproszczenia analizy pracytransformatora w danych warunkach, wprowadza siê dodatkowywspó³czynnik okreœlaj¹cy stosunek rezystancji uzwojeniadla pr¹du zmiennego w stosunku do tej rezystancji dlapr¹du sta³ego (o wartoœci równej wartoœci skutecznej pr¹duzmiennego) w wyniku istnienia zjawiska zbli¿enia. W artykulezrezygnowano z przytaczania ró¿nych wykresów tegowspó³czynnika, choæ s¹ one bardzo ciekawe. Dla zobrazowaniaskali zjawiska przytoczê natomiast kilka liczb. Poniewa¿efekt zale¿y od czêstotliwoœci, bêdzie ona ujêta niejako w gruboœciprzewodu. Piszê niejako - bowiem gruboœæ ta nie bêdzieprzytoczona wprost w milimetrach, a w wielokrotnoœci g³êbokoœciwnikania fali elektromagnetycznej wspomnianego ju¿wczeœniej parametru ∆. Tak znormalizowan¹ gruboœæ przewoduoznacza siê na ogó³ liter¹ ϕ, a wiêc: dla ϕ = 1 i dlajednej warstwy uzwojenia efekt wzrostu rezystancji w wynikuistnienia zjawiska zbli¿enia mo¿na zaniedbaæ. Natomiastdla tej samej gruboœci przewodu, gdy warstw jest 10, wspó³czynnikF R jest ju¿ równy oko³o 15. Dla jednej warstwy i ϕrównego 10, wspó³czynnik F R wynosi oko³o 10. Natomiastdla ϕ = 10 i 10 warstw uzwojenia, wspó³czynnik F R siêga wartoœcioko³o 700!Bli¿sza analiza zjawiska prowadzi do ciekawego wniosku.Dla ka¿dego transformatora i dla okreœlonych warunków jegopracy istnieje optymalna gruboœæ przewodu, którym nale¿ynawin¹æ uzwojenia. Nie jest usprawiedliwione nawijanie uzwojeñprzewodem grubszym, poza tym, ¿e przyjmuje siê najbli¿-sz¹ znormalizowan¹ œrednicê z typoszeregu w górê. Rozumowaniepolegaj¹ce na przyjmowaniu jako bezpieczniejszej wartoœcitakiej, dla której efektywna gêstoœæ pr¹du jest mniejsza,nie jest s³uszne. Ten „naddatek” materia³u przewodnika przyniesiezupe³nie odwrotny efekt. Problemy te komplikuj¹ siêszczególnie w uk³adach, gdzie warunki pracy transformatoras¹ „silnie zmienne”, a wiêc szeroki zakres napiêcia wejœciowegoi szeroki zakres obci¹¿enia zasilacza.2.4. Wnioski dotycz¹ce zjawisk w uzwojeniachtransformatora we wszystkich konfiguracjachuk³adowych zasilaczy impulsowychStraty mocy zwi¹zane z istnieniem pr¹dów wirowych wprzewodzie, w którym p³ynie pr¹d zmienny znacznej czêstotliwoœciznacznie rosn¹ wraz ze wzrostem gruboœci przewodu- do czwartej potêgi. Równoczeœnie rezystancyjne straty mocymalej¹ proporcjonalnie do kwadratu œrednicy przewodu. Nasuwasiê zatem wniosek, ¿e musi istnieæ œrednica (gruboœæ)przewodu optymalna, dla której suma owych strat jest minimalna.Tak jest w rzeczywistoœci. Gruboœæ przewodu, dla którejfunkcja owych strat przyjmuje minimum przyjmuje siê jakogórn¹ granicê przewodu dobrze zaprojektowanego uzwojenia.Z tego wyp³ywa bardzo ciekawy wniosek: przyjêcie wiêkszegordzenia i grubszego przewodu jako rozwi¹zanie konserwatywnei bezpieczniejsze z powodu na przyk³ad niedoskona³oœci projektunie jest wcale uzasadnione i do koñca tolerowane. }Ci¹g dalszy nast¹pi10 SERWIS ELEKTRONIKI 10/2002