繞組的高頻特性及其對損耗的影響

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1、繞組高頻效應(yīng)及其對損耗的影響1.集膚效應(yīng)1.1集膚效應(yīng)的原理圖1.1表示了集膚效應(yīng)的產(chǎn)生過程。圖中給出的是載流導(dǎo)體縱向的剖面圖，當(dāng)導(dǎo)體流過電流（如圖中箭頭方向）時(shí)，由右手螺旋法則可知，產(chǎn)生的感應(yīng)磁動勢為逆時(shí)針方向，產(chǎn)生進(jìn)入和離開剖面的磁力線。如果導(dǎo)體中的電流增加，則由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖所示方向的渦流。由圖可知：渦流的方向加大了導(dǎo)體表面的電流，抵消了中心線電流，這樣作用的結(jié)果是電流向?qū)w表面聚集，故稱為集膚效應(yīng)。在此引進(jìn)一個(gè)集膚深度〈skindepth〉的概念，此深度的電流密度大小恰好為表面電流密

2、度大小的1/e倍：一般用集膚深度Δ來表示集膚效應(yīng)，其表達(dá)式為：(1.1)其中：γ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，f為工作頻率。圖1.1.集膚效應(yīng)產(chǎn)生過程示意圖圖1.2.高頻導(dǎo)體電路密度分布圖高頻時(shí)的導(dǎo)體電流密度分布情形，大致如圖1.2所示，由表面向中心處的電流密度逐漸減小。由上圖及式1.1可知，當(dāng)頻率愈高時(shí)，臨界深度將會愈小，結(jié)果造成等效阻值上升。因此在高頻時(shí)，電阻大小隨著頻率而變的情形，就必須加以考慮進(jìn)去。1.2影響及應(yīng)用　　在高頻電路中可以采用空心導(dǎo)線代替實(shí)心導(dǎo)線。此外，為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中

3、也往往使用多股相互絕緣細(xì)導(dǎo)線編織成束來代替同樣截面積的粗導(dǎo)線，這種多股線束稱為辮線。在工業(yè)應(yīng)用方面，利用趨膚效應(yīng)可以對金屬進(jìn)行表面淬火。　　考慮到交流電的集膚效應(yīng)，為了有效地利用導(dǎo)體材料和便于散熱，發(fā)電廠的大電流母線常做成槽形或菱形母線；另外，在高壓輸配電線路中，利用鋼芯鋁絞線代替鋁絞線，這樣既節(jié)省了鋁導(dǎo)線，又增加了導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度，這些都是利用了集膚效應(yīng)這個(gè)原理?！　〖w效應(yīng)是在訊號線里最基本的失真作用過程之一，也有可能是最容意被忽略誤解的。與一般訊號線的夸大宣傳所言,集膚效應(yīng)并不會改變所有的高頻訊號,并且

4、不會造成任何相關(guān)動能的損失。正好相反，集膚效應(yīng)會因傳導(dǎo)體的不同成分，在傳遞高頻訊號時(shí)有不連貫的現(xiàn)象。同樣地，在陳舊的線束傳導(dǎo)體上，集膚效應(yīng)助長訊號電流在多條線束上的交互跳動，對于聲音造成刺耳的記號。2鄰近效應(yīng)圖2.1表示了鄰近效應(yīng)的產(chǎn)生過程。A、B兩導(dǎo)體流過相同方向的電流IA和IB，當(dāng)電流按圖中箭頭方向突增時(shí)，導(dǎo)體A產(chǎn)生的突變磁通ΦA(chǔ)-B在導(dǎo)體B中產(chǎn)生渦流，使其下表面的電流增大，上表面的電流減少。同樣導(dǎo)體B產(chǎn)生的突變磁通ΦB-A在導(dǎo)體A中產(chǎn)生渦流，使其上表面的電流增大，下表面的電流減少。這個(gè)現(xiàn)象就是導(dǎo)體之間

5、的鄰近效應(yīng)。當(dāng)流過導(dǎo)體的電流相同，導(dǎo)體之間的距離一定時(shí)，如果導(dǎo)體之間的相對面積不同，鄰近效應(yīng)使得導(dǎo)體有效截面面積不同。研究表明:導(dǎo)體的相對面積越大則導(dǎo)體有效截面越大，損耗相對較小。圖2.1.臨近效應(yīng)產(chǎn)生過程示意圖圖2.2.臨近效應(yīng)示意圖圖2.3.一軸對稱模型在頻率為20KHz時(shí)電流密度的分布圖臨近效應(yīng)與集膚效應(yīng)是共存的。集膚效應(yīng)是電流主要集中在導(dǎo)體表面附近，但是沿著導(dǎo)體圓周的電流分布還是均勻的。如果另一根載有反向交流電流的圓柱導(dǎo)體與其相鄰，其結(jié)果使電流不再對稱地分布在導(dǎo)體中，而是比較集中在兩導(dǎo)體相對的內(nèi)側(cè)，

6、形成這種分布的原因可以從電磁場的觀點(diǎn)來理解。電源能量主要通過兩線之間的空間以電磁波的形式傳送給負(fù)載，導(dǎo)線內(nèi)部的電流密度分布與空間的電磁波分布密切相關(guān)，兩線相對內(nèi)側(cè)處電磁波能量密度大，傳入導(dǎo)線的功率大，故電流密度也較大。如果兩導(dǎo)線載有相同方向的交變電流，則情況相反，在兩線相對外側(cè)處的電流密度大。3.導(dǎo)體的邊緣效應(yīng)Dowall提出了計(jì)算兩繞組變壓器繞組交流電阻的方法，此方法先將圓導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為方形，并作如下假設(shè):①磁場被假定為一維變量，垂直于導(dǎo)體的分量被忽略，并且總磁場強(qiáng)度在每個(gè)導(dǎo)體層中為常量;②繞組被假定為無限長

7、片狀導(dǎo)體的一部分，電流密度沿每層導(dǎo)體截面是常數(shù)，導(dǎo)體邊緣效應(yīng)被忽略;③假定磁芯不存在，線圈在整個(gè)磁芯寬度方向上均勻分布;④流過繞組的電壓和電流均為正弦波，且線圈無開路。后來的研究者們對此方法提出了一些修正。事實(shí)上，導(dǎo)體的邊緣效應(yīng)對磁性元件的損耗和漏感等有較大的影響。繞組的邊緣效應(yīng)會造成由上述假定所限定的一維繞組損耗計(jì)算方法所不能計(jì)算的額外損耗。在不同的工作頻率下，繞組之間距離不同，造成的交流電阻和漏感不同，對于一個(gè)指定的頻率，存在一個(gè)最佳的距離使得繞組交流電阻最小;繞組在磁芯窗口中的位置對繞組參數(shù)也有一定的

8、影響;對于高頻變壓器，原副邊繞組的寬度與繞組損耗和能量的存儲也有很大關(guān)系:原副邊繞組寬度相同時(shí)高頻變壓器可以獲得最小的交流電阻和漏感。有關(guān)學(xué)者對這種邊緣效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，使用二維有限元仿真軟件，通過對磁場分布和電流分布進(jìn)行分析證明了繞組邊緣效應(yīng)對繞組損耗和漏感的影響。因?yàn)橛邢拊治龇椒▽γ總€(gè)設(shè)計(jì)方案都要單獨(dú)求解，因此不能提供一般的結(jié)論，SoftSwitchingTechnologiesCorporation的