Guida al Calcolo della Perdita del Nucleo del Trasformatore SST e all'Ottimizzazione dell'Avvolgimento

Progettazione e calcolo del nucleo del trasformatore ad alta frequenza isolato SST

• Impatto delle caratteristiche del materiale: Il materiale del nucleo presenta comportamenti di perdita variabili a seconda della temperatura, della frequenza e della densità di flusso. Queste caratteristiche formano la base delle perdite totali del nucleo e richiedono una comprensione precisa delle proprietà non lineari.

• Interferenza del campo magnetico disperso: I campi magnetici dispersi ad alta frequenza intorno agli avvolgimenti possono indurre ulteriori perdite nel nucleo. Se non gestiti correttamente, queste perdite parassite possono avvicinarsi alle perdite intrinseche del materiale.

• Condizioni operative dinamiche: Nei circuiti risonanti LLC e CLLC, la forma d'onda della tensione e la frequenza di funzionamento applicate al nucleo variano dinamicamente, rendendo significativamente più complesso il calcolo istantaneo delle perdite.

• Requisiti di simulazione e progettazione: A causa della natura multi-variabile accoppiata e altamente non lineare del sistema, è difficile ottenere manualmente una stima accurata delle perdite totali. La modellizzazione e la simulazione precise utilizzando strumenti software specializzati sono essenziali.

• Raffreddamento e requisiti di perdita: I trasformatori ad alta potenza e alta frequenza hanno un rapporto superficie-capacità inferiore, necessitando di raffreddamento forzato. Le perdite nel nucleo dei materiali nanocristallini devono essere calcolate con precisione e combinate con l'analisi termica del sistema di raffreddamento per valutare l'aumento di temperatura.

(1) Progettazione e calcolo degli avvolgimenti
Perdite in corrente alternata: A frequenze elevate, l'aumento della frequenza della corrente porta a una maggiore resistenza degli avvolgimenti. L'impedenza per unità di conduttore deve essere calcolata utilizzando formule specifiche.

(2) Perdite per correnti vorticoshe

Effetto pelle: Quando la corrente alternata scorre attraverso un conduttore rotondo, si generano campi magnetici alternati concentrici, inducendo perdite per correnti vorticoshe.
Effetto di prossimità: Negli avvolgimenti multi-strato, la corrente in uno strato influenza la distribuzione della corrente negli strati adiacenti. Il rapporto resistenza AC/CC deve essere calcolato utilizzando la formula di Dowell.

dove △ è il rapporto tra lo spessore dell'avvolgimento e la profondità di pelle, e p è il numero di strati di avvolgimento);
Avviso di rischio: Gli avvolgimenti progettati da ingegneri inesperti possono subire perdite in corrente alternata ad alta frequenza diverse volte superiori alle perdite in rame di un trasformatore della stessa capacità a 50Hz.

Problemi con i materiali amorfosi e nanocristallini

(1) Problemi di coerenza del nucleo

Anche all'interno dello stesso lotto e con le stesse specifiche, i nuclei nanocristallini possono presentare differenze significative nel riscaldamento (perdite) sotto eccitazione di corrente ad alta frequenza. È necessario un controllo in entrata tramite parametri come peso (indicante densità/fattore di riempimento), valore Q (valutazione delle perdite), induttanza (valutazione della permeabilità) e test di aumento di temperatura sotto potenza per valutare le perdite.

(2) Perdite e limitazioni del materiale

Perdite ai bordi tagliati: La concentrazione del campo magnetico ai bordi tagliati aumenta le perdite per correnti vorticoshe, rendendo queste aree i punti più caldi e compromettendo la stabilità termica.
Distribuzione ineguale delle perdite: Oltre ai bordi tagliati, esistono ancora diversi punti caldi lungo il percorso magnetico.
Limitazioni del materiale: I materiali amorfosi e nanocristallini faticano a soddisfare i requisiti dei circuiti risonanti per bassa permeabilità. Generano rumore significativo al di sotto di 16 kHz e sono altamente sensibili allo stress meccanico.