Guia de càlcul de pèrdues del nucli del transformador SST i optimització de bobinat

Disseny i càlcul del nucli d'un transformador aïllat de freqüència alta SST

• Impacte de les característiques del material: El material del nucli presenta comportaments de pèrdua diferents en funció de la temperatura, la freqüència i la densitat de flux. Aquestes característiques formen la base de les pèrdues totals del nucli i requereixen una comprensió precisa de les propietats no lineals.

• Interferència del camp magnètic estray: Els camps magnètics estray de freqüència alta al voltant de les bobines poden induir pèrdues addicionals al nucli. Si no es gestionen correctament, aquestes pèrdues parasites podrien arribar a nivells similars als de les pèrdues intrínseques del material.

• Condicions d'operació dinàmiques: En circuits resonants LLC i CLLC, la forma d'ona de tensió i la freqüència d'operació aplicades al nucli varien dinàmicament, complicant significativament el càlcul instantani de les pèrdues.

• Requisits de simulació i disseny: Degut a la naturalesa acoblada multivariable i altament no lineal del sistema, l'estimació manual precisa de les pèrdues totals és difícil d'aconseguir. Són essencials un modelatge precís i simulacions utilitzant eines de programari especialitzades.

• Requisits de refrigeració i pèrdues: Els transformadors de alta potència i freqüència alta tenen una proporció menor de superfície a capacitat, necessitant refredament forçat. Les pèrdues del nucli en materials nanocristal·lins han de calcular-se amb precisió i combinar-se amb l'anàlisi tèrmica del sistema de refrigeració per avaluar l'augment de temperatura.

(1) Disseny i càlcul de les bobines
Pèrdues AC: A freqüències altes, l'augment de la freqüència de corrent porta a una major resistència de les bobines. L'impedància per unitat de conductor s'ha de calcular utilitzant fòrmules específiques.

(2) Pèrdues per corrents d'inducció

Efecte de la capa: Quan la corrent AC flueix a través d'un conductor rodó, es generen camps magnètics alterns cònics, induint pèrdues per corrents d'inducció.
Efecte de proximitat: En bobines multicala, la corrent en una cala afecta la distribució de la corrent en les calades adjacents. La raó de resistència AC a DC s'ha de calcular utilitzant la fórmula de Dowell.

on △ és la raó d'espessor de la bobina a la profunditat de la capa, i p és el nombre de calades de la bobina);
Avís de risc: Les bobines dissenyades per enginyers inexperts podrien patir pèrdues AC de freqüència alta diverses vegades més grans que les pèrdues de cobre d'un transformador de 50 Hz de la mateixa capacitat.

Problemes amb materials amorfs i nanocristal·lins

(1) Problemes de consistència del nucli

Fins i tot dins del mateix lot i especificacions idèntiques, els nuclis nanocristal·lins poden presentar diferències significatives en el calentament (pèrdues) sota excitació de corrent de freqüència alta. Es requereix una inspecció d'entrada mitjançant paràmetres com el pes (que indica la densitat/factor de plenitud), el valor Q (per avaluar les pèrdues), la inductància (per avaluar la permeabilitat) i proves de creixement de temperatura sota potència per avaluar les pèrdues.

(2) Limitacions de pèrdues i materials

Pèrdues per tall: La concentració del camp magnètic en els talls augmenta les pèrdues per corrents d'inducció, fent d'aquests punts els més calents i comprometent la estabilitat tèrmica.
Distribució irregular de les pèrdues: A més dels talls, encara existeixen diversos punts calents al llarg del camí magnètic.
Limitacions dels materials: Els materials amorfs i nanocristal·lins tenen dificultats per complir els requisits dels circuits resonants per a baixa permeabilitat. Generen soroll significatiu per sota de 16 kHz i són molt sensibles a l'estressament mecànic.