Dlaczego potrzebna jest luka powietrzna do magazynowania energii?

Dlaczego tak wiele źródeł mówi coś w stylu „ponieważ transformator typu flyback magazynuje energię, potrzebna jest szczelina powietrzna”? Takie rozumowanie widziałem w podręcznikach i notatkach dotyczących aplikacji.

Myślałem, że szczeliny powietrzne nie mogą magazynować energii, i pomyślałem również, że transformator typu flyback magazynuje energię wraz z jej indukcyjnością, a szczelina powietrzna zmniejsza indukcyjność, więc pomyślałbym, że również zmniejsza zdolność cewki indukcyjnej / flyback do magazynowania energii.

Gdzie jestem zdezorientowany?

W przeciwieństwie do transformatora z topologią do przodu (w którym jednocześnie przewodzą uzwojenie pierwotne i wtórne), transformator typu flyback musi magazynować energię podczas pierwotnego włączenia głównego, dostarczając ją do obciążenia podczas pierwotnego wyłączenia.

Transformator z topologią do przodu nie potrzebuje żadnej przerwy, ponieważ szczytowa gęstość strumienia jest funkcją tylko zastosowanych woltów sekund; moc dostarczana „przez” transformator nie jest zmienną (poza wpływem na cykl pracy). Tylko prąd magnesujący porusza rdzeń wzdłuż pętli histerezy, co nie stwarza żadnego ryzyka nasycenia, jeśli wszystko jest dobrze zaprojektowane, ponieważ pierwotne i wtórne zwoje ampera znoszą się nawzajem.

Transformator typu flyback nie ma korzyści z amortyzacji skrętu w stosunku do konwertera do przodu, więc cała energia pierwotna przesuwa rdzeń w górę jego krzywej histerezy. Szczelina powietrzna spłaszcza krzywą histerezy i umożliwia lepsze zarządzanie energią poprzez zmniejszenie przepuszczalności rdzenia. Będziesz oczywiście musiał dodać więcej zwojów, aby uzyskać pożądaną indukcyjność w porównaniu do braku przerwy, ale unikasz nasycenia rdzenia.$\frac{1}{2}LI^2$

Kluczową kwestią jest to, że bez szczeliny powietrznej induktor nasyca się, jeśli spróbujesz przepuścić przez niego prąd, aby indukcyjność spadła i nie będziesz mógł magazynować energii.

Termin „transformator zwrotny” jest nieco mylący i bardziej użyteczne jest uważanie go za sprzężone cewki indukcyjne, a nie za transformator, ponieważ działanie jest zupełnie inne, gdy konwencjonalna energia transformatora trafia do pierwotnej i wtórnej w tym samym czasie nie magazynuje energii. Dzięki „Flyback” energia transformatora jest najpierw gromadzona, a następnie uwalniana.

Biorąc pewne rzeczy, które wiemy o cewkach indukcyjnych

$$v = L \frac{di}{dt} = N A \frac {dB}{dt}$$

Gdzie v to napięcie, i to prąd, N to zwoje, B to gęstość strumienia, a A to efektywny obszar magnetyczny.

Również

$$H = \frac {N \ i}{l} \Rightarrow i = \frac {H \ l}{N}$$

gdzie H to siła pola magnetycznego, N to zwoje, a l to długość ścieżki magnetycznej

Wreszcie dopuszczalność

$$\mu = \frac {B}{H} \Rightarrow H = \frac {B}{\mu}$$

A zatem

$$i = \frac{B \ l}{\mu \ N}$$

Teraz możemy obliczyć energię

$$\begin{align} Energy & = \int{i \ v} \ dt\\ & = \int{\left( \frac{B \ l}{\mu \ N} \right) \ \left( N A \frac {dB}{dt} \right)} \ dt\\ & = \frac {A \ l}{\mu}\int{B} \ dB\\ & = \frac {A \ l}{\mu}\frac{B^2}{2}\\ \end{align}$$

Magazynowanie energii jest zatem możliwe tylko w szczelinie powietrznej i jest proporcjonalne do objętości szczeliny powietrznej i kwadratu gęstości strumienia.

W przeciwieństwie do tego, co myśli większość ludzi, w tym ciebie, większość użytecznej energii jest magazynowana w szczelinie rdzenia.

W przypadku ferrytu szczelina jest rozmieszczona między drobnymi metalowymi cząsteczkami, więc ma ona również efektywną szczelinę wykorzystywaną do obliczeń. Ta przerwa linearyzuje pętlę BH i zwiększa obsługę prądu przed nasyceniem.

Szczeliny powietrzne są zwykle stosowane ze względów bezpieczeństwa. W przypadku transformatora typu flyback nie chcesz, aby łuki między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym były używane, i użyj szczeliny powietrznej.