大功率高壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)
怎么沒人發(fā)言?
那我只好自己先說幾句,如有不對之處歡迎批評謝絕拍磚,先從分布電容說起:
在變壓器中,由于兩個導(dǎo)體之間分布或寄生的電氣耦合,繞組線匝之間、同一繞組上下層之間、不同繞組之間、繞組對屏蔽層之間沿著某一線長度方向的電位分布是變化的,這樣就形成了分布電容,由下式表示:
式中:M為分段的段數(shù);N為每段的層數(shù); Co為靜態(tài)電容(pf);U為層間的電位差;UP為初級電壓。
高頻變壓器的分布電容主要是由繞組對磁芯(或?qū)ζ帘螌樱┓植茧娙?、各繞組之間分布電容、繞組與繞組之間分布電容、以及初、次級之間分布電容四部分組成(其中初、次級之間的分布電容由于高頻高壓變壓器基本都設(shè)有屏蔽繞組,由于屏蔽層的存在,大大減小了原副邊耦合電容,其影響可以忽略)。電容量的大小主要取決于繞組的幾何形狀。高壓變壓器一般會有比較大的匝數(shù)比,二次繞組的匝數(shù)較多,將產(chǎn)生較大的分布電容。對于二次側(cè)來說,分布電容可達(dá)到匝數(shù)比平方的數(shù)倍,導(dǎo)致無效電流通過二次繞組,從而使變壓器效率降低。
目前在高頻高壓變壓器制作過程中,為盡量減小其分布電容,次級繞組一般采用分層、分段或分線包繞制,即將次級繞組分為多 個線包,各線包之間串聯(lián)連接,每個線包從最底層開始向上逐漸減少匝數(shù);具體到相鄰兩層的電氣連接方式主要有“]”型、“∠”型、“Z”型三種繞組結(jié)構(gòu);也有采用分槽繞制結(jié)構(gòu)的。
“]”型、“∠”型、“Z”型三種不同的繞組結(jié)構(gòu)及分槽繞制結(jié)構(gòu)示意圖
這幾種方式都可以在一定程度上減小分布電容。
老師,請問您的公式出自哪里?有沒經(jīng)過實(shí)證?是哪本書上面的?
另外,有沒有計(jì)算漏感的公式?這樣對照計(jì)算應(yīng)該會更有利吧!
可以指教我一下嗎?
這段時間由于忙著為一位同行開發(fā)一款高壓高頻變壓器,沒有及時回復(fù)
同樣,漏感是表示變壓器繞組之間不完全耦合所表現(xiàn)出來的寄生效應(yīng)。
由于大功率、高壓、高頻變壓器與普通變壓器存在的的設(shè)計(jì)方法不同,主要表現(xiàn)在:絕緣需求、寄生成分、空載損耗、負(fù)載損耗、電暈放電及整流等方面。一次繞組和二次繞組之間需要有效的絕緣厚度或距離,以避免電場擊穿。因此,一次繞組和二次繞組之間的電磁耦合不像傳統(tǒng)的低壓變壓器那樣緊湊。對于一次側(cè)來說,這將導(dǎo)致寄生泄漏電感,從而影響變壓器的最大功率容量。特別是在設(shè)計(jì)大功率、高壓變壓器的時候,如要保證足夠的絕緣距離,就會有寄生電感產(chǎn)生。影響漏感的因素有:
1、變壓器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸;
2、鐵芯形狀(環(huán)形最?。⒊叽?、初級和次級繞組匝數(shù);
3、導(dǎo)線截面積、繞組繞制方式、絕緣距離等;可以由下式表示:
式中:h為繞組厚度(cm);L1為初級繞組周長(cm);L2為次級繞組周長(cm);L3為初、次級間繞組周長(cm);a1為初級繞組厚度(cm);a2為次級繞組厚度(cm);a3為初、次級間繞組厚度(cm);μ0為空氣導(dǎo)磁率;N1為初級匝數(shù)。
可以看出,高頻變壓器的漏感實(shí)質(zhì)上是一個線性電抗,它與有效負(fù)載一樣,制
約著電源的輸出功率,它對電源輸出回路的影響可以通過下面兩個公式說明
式中:Io 為輸出電流;Uo 為高頻變壓器次級輸出電壓;Z 為輸出回路總阻抗;X1,X2 分別為折算到高頻變壓器次級的總漏抗和回路總感抗。
雖然適當(dāng)?shù)穆└锌梢砸种评鐟?yīng)用在ESP時閃烙引起的短路電流,但很顯然,
若高頻變壓器漏抗太大,則電源無法輸出所需的最大電流,輸出功率明顯減小。所以即便是對于大變比的高壓變壓器也必須控制漏感的量。
但是目前在設(shè)計(jì)高壓高頻變壓器時由于首先考慮的是如何減少分布電容如采用采用分槽繞制結(jié)構(gòu)、分段繞制,而不是減少漏感,所以現(xiàn)在的漏感都做得比較大。而且分槽或分段繞制其底層電壓與初級繞組之間電位差非常大,絕緣處理需要非常小心謹(jǐn)慎。
老師,您好,我想按您的計(jì)算方法大致估計(jì)分布電容。以實(shí)際的U型和Z型繞法來比較,看哪一種的分布電容大,可是很難得出結(jié)論。
高壓變壓器,次級匝數(shù)很多,為計(jì)算方便,只分兩段,初次各一段,原邊一層三匝,次級三層九匝。原邊輸入電壓按Up計(jì),以此來計(jì)算分布電容。
Z型繞法,次級按層來計(jì),它的軸向方向的層間電位差是相等的,沿徑向方向的
位分布是線性的,是由內(nèi)向外逐層變化一個固定值。
電(我的理解是此公式應(yīng)該是段間電容的計(jì)算方法吧?這個靜態(tài)電容指的是段間的耦合電容。
不然按設(shè)定條件,N,M,U,Up,靜態(tài)電容應(yīng)如何取對應(yīng)的值?)
而U型繞法沿軸向方向?qū)娱g電位差不相等,U型兩口頭的層間電位層最大,然后逐匝下降,同時沿徑向方向的電位分布也與Z型繞法不同,此時又如何計(jì)算比較?
另外,U型繞法和Z型繞法的匝間電容的極性方向沿軸向方向是相反的,這樣又有什么影響?
我一直想把這個繞制過程有一個大致的性能估測分析,至少對它的趨勢有所明了。找了不少的書,但始終不能了卻心愿,還請老師能指教一二。
可不可以請老師給一個實(shí)例,用計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較一下?
如果可行,漏感的計(jì)算應(yīng)當(dāng)也是有規(guī)律可找的.
圖片不顯示,不要直接黏貼圖片,先上傳文件,在插入編輯器
先回復(fù)您提出的部分問題:
1)、一般而言:采用U型繞法,繞線簡單,但上下層相鄰匝間的最大電壓差大,分布電容儲存的能量就很大,從而繞組的端口等效電容較大;
2)、采用Z型繞法,繞線稍復(fù)雜些,但線圈上下層相鄰匝間壓差變小,繞組的端口等效電容明顯減小。
3)、若要進(jìn)一步減小繞組分布電容,則可采用分段繞法。分段方法是將原來的線圈匝數(shù)分成相等的若干份,線圈間的最大電壓差就只有輸入電壓的若干分之一,分的段數(shù)越多,線圈間的最大電壓差越小,繞組等效分布電容就越小。
4)、另外,還有一種所謂的累進(jìn)式繞線方法,就是先繞第1層的一部分,再在第1層上繞回去,形成第2層的一部分,這樣交替繞制第1層線圈與第2層線圈,設(shè)累進(jìn)的圈數(shù)為n,則線圈間的最大電壓就是1/n。不過這種方法并不常見。一般來講,減小分布電容的繞制方法都可以減小導(dǎo)線間的絕緣應(yīng)力。
一個2層繞組的線圈,如分別采用上述4種繞法,累進(jìn)式繞法減小繞組分布電容的效果最佳,兩段式繞法次之,U型繞法最差,Z型繞法介于中間。
目前絕大多數(shù)的大功率高壓高頻變壓器都有以下幾個共同點(diǎn):
1、共有一付大功率鐵芯(當(dāng)然該鐵芯也有可能是幾付鐵芯并聯(lián));
2、所有次級繞組繞制在一付鐵芯上,各個次級繞組之間沒有單獨(dú)的磁芯和磁路;
3、初級繞組繞制(裝配)完成后,繞制(裝配)次級繞組,初、次級繞組都共有一付鐵芯;
4、次級繞組相對初級繞組遠(yuǎn)離鐵芯。
通過這上述方式繞制的變壓器所構(gòu)成的高壓轉(zhuǎn)換器,一旦出現(xiàn)由于負(fù)載短路、打火等原因而導(dǎo)致繞組任何部位的損壞,將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效,一般而言變壓器基本上是需要整體維修,設(shè)備無法在短時間恢復(fù)運(yùn)行。
如果需要進(jìn)一步提高功率或電壓,無論采取何種模式,都有其固有的缺陷,實(shí)現(xiàn)起來也并不容易。特別是輸出電壓進(jìn)一步升高的情況下,雖然可以通分層、分段、分包、分槽等繞制方式,但由于受到工藝制作的局限,使得如何控制分布參數(shù)尤其是分布電容將變的十分困難。
所以有沒有一種既可以降低分布電容、又不增大漏感同時又適應(yīng)工業(yè)化大批量生產(chǎn)的方法呢?所以在這里本著相互學(xué)習(xí)態(tài)度提出一種方案請大家相互探討!
由圖可見,基本上所有變壓器都存在由兩層之間的對應(yīng)匝的電容并聯(lián)而成的靜態(tài)層間電容 Co,
而由分布電容的計(jì)算公式
不難發(fā)現(xiàn)Co是構(gòu)成變壓器分布電容大小的主要因素之一,如果可以將Co減小到
很低的程度,那么總的C不也很小了嗎?也就是說,如果有一種繞制方法或則結(jié)構(gòu),首先使得Cz基本很小或非常小,那么Co、C不也就相應(yīng)的降低很多了嗎!
再說漏感
眾所周知,環(huán)形變壓器的漏感是最低的,原理這就不多說了。但是高壓高頻變壓器幾乎沒有用環(huán)形鐵芯來制作的,為什么呢?因?yàn)榭瓷先ニ坪跏遣豢蓪?shí)現(xiàn)的,例如首先初次級絕緣就好像做不到。你總不見得用高壓導(dǎo)線去繞制吧?當(dāng)然,如果體積可以宇宙大也不妨試試。
除此之外,高壓變壓器中最常用的就是C型或U型鐵芯,這種鐵芯用起來也方便,功率不夠就多并幾副,耐壓不夠就加大窗口,如此反復(fù),不亦樂乎
但是我覺得我們在這方面(大功率高壓高頻變壓器)應(yīng)該有點(diǎn)創(chuàng)新,四大發(fā)明都有了,這點(diǎn)還做不到嗎?!?。?/p>
于是針對上面提出的幾個關(guān)鍵點(diǎn),我提出一種全新大功率高壓高頻變壓器設(shè)計(jì)模式,具體下次再講。
學(xué)習(xí)了。
先上一個高壓變壓器原理圖
也可以等效成下圖:
還有一種表示法
這個就像我們平時所說的分段繞制法,或者繞組電壓疊加方式
這種方式,次級繞組是分為N個段,盡可能地降低分布電容,但是每段之間的層與層之間的分布電容還是不小。并且一旦出現(xiàn)由于負(fù)載短路、打火等原因而導(dǎo)致任何一個次級繞組的損壞,將會立即導(dǎo)致整個系統(tǒng)的失效。
請問樓主:對于大功率高壓開關(guān)電源,負(fù)載輸出側(cè)通常需要利用多輸出繞組疊壓的方式來實(shí)現(xiàn),即1:N:N:N...。也就是說高壓變壓器的結(jié)構(gòu)是初次側(cè)一個繞組對二次側(cè)多組繞組,整流之后然后再疊壓。
但是結(jié)構(gòu)上如何安排才能保證各輸出繞組的輸出電壓是相等的?是否會有因?yàn)槔@組的位置放置的不同而造成各繞組的輸出電壓有差異?
不同輸出繞組是否會互相影響到對方的輸出?
一般而言,任何繞制方法都無法保證所有繞組電壓的一致性,只能盡可能地接近,你所說的繞制方式,串聯(lián)之后,電壓最高的繞組在最外層,耦合最差,底層的電壓最低,但離初級繞組最近,耦合最好,各繞組的輸出電壓肯定有差異。只不過大小而已,所以在整流之后要加阻、容均壓元件。
你提出的是否會相互影響,由于這種繞制方式層與層之間還是存在較大的分布電容,所以相互之間肯定會有影響
這個建議很好,支持。
去年本人做了一批野豬用捕獵器,功率為800-1600W,電壓在4000-6000伏之間,就是空載待機(jī)電流偏大,沒辦法,因?yàn)橐柏i這東西太耐電,光靠電容放電來電它是不太可靠,最起碼還需要有足夠的后續(xù)電流和電壓才能將它擊斃。
去年年底,我去武夷山上測試幾個參數(shù)時,發(fā)現(xiàn)被我的產(chǎn)品擊斃的一頭野豬身上,舊傷口不下七八處,由傷口觀察,預(yù)計(jì)幾處傷口都不會超過3個月曾經(jīng)被電過,這次看來還算是我們僥幸,放電端口在野豬的前腿脊梁上,短短放電時間(2-3秒左右)電流燒傷傷口已經(jīng)看見明顯骨頭了。這頭野豬雖說不大(稱過了188斤),卻如此耐電,簡直可怕。
為此本人還是想做一個3000瓦以上的高功率的逆變器,如今最頭疼的問題是如何降低空載電流,使之不需要太大電瓶就能使用。
各位高手,你們對如何降低逆變器空載電流有什么秘訣,發(fā)出來大家分享分享。