講述環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

1、環(huán)形變壓器及其應(yīng)用1引言    環(huán)形變壓器是電子變壓器的一大類型，已廣泛應(yīng)用于家電設(shè)備和其它技術(shù)要求較高的電子設(shè)備中，它的主要用途是作為電源變壓器和隔離變壓器。環(huán)形變壓器在國外已有完整的系列，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、電訊、儀器和燈光照明等方面。    我國近十年來環(huán)形變壓器從無到有，迄今為止已形成相當(dāng)大的生產(chǎn)規(guī)模，除滿足國內(nèi)需求外，還大量出口。國內(nèi)主要用于家電的音響設(shè)備和自控設(shè)備以及石英燈照明等方面。    環(huán)形變壓器由于有優(yōu)良的性能價(jià)格比，有良好的輸出特性和抗干擾能力，因而它是一種有競爭力的電子變壓

2、器，本文擬就它的特點(diǎn)作一介紹。2環(huán)形變壓器的特點(diǎn)    環(huán)形變壓器的鐵心是用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片（片厚一般為0.35mm以下），無縫地卷制而成，這就使得它的鐵心性能優(yōu)于傳統(tǒng)的疊片式鐵心。環(huán)形變壓器的線圈均勻地繞在鐵心上，線圈產(chǎn)生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎完全重合，與疊片式相比激磁能量和鐵心損耗將減小25，由此帶來了下述一系列的優(yōu)點(diǎn)。     1）電效率高鐵心無氣隙，疊裝系數(shù)可高達(dá)95以上，鐵心磁導(dǎo)率可取1.51.8T（疊片式鐵心只能取1.21.4T），電效率高達(dá)95以上，空載電流只有疊片式的10。   

3、; 2）外形尺寸小，重量輕環(huán)形變壓器比疊片式變壓器重量可以減輕一半，只要保持鐵心截面積相等，環(huán)形變壓器容易改變鐵心的長、寬、高比例，可以設(shè)計(jì)出符合要求的外形尺寸。    3）磁干擾較小環(huán)形變壓器鐵心沒有氣隙，繞組均勻地繞在環(huán)形的鐵心上，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了漏磁小，電磁輻射也小，無需另加屏蔽都可以用到高靈敏度的電子設(shè)備上，例如應(yīng)用在低電平放大器和醫(yī)療設(shè)備上。    4）振動(dòng)噪聲較小鐵心沒有氣隙能減少鐵心感應(yīng)振動(dòng)的噪音，繞組均勻緊緊包住環(huán)形鐵心，有效地減小磁致伸縮引起的“嗡嗡”聲。 5）運(yùn)行溫度低由于鐵損可以做到1.1W/kg，鐵損很小，鐵心溫

4、升低，繞組在溫度較低的鐵心上散熱情況良好，所以變壓器溫升低。    6）容易安裝環(huán)形變壓器只有中心一個(gè)安裝螺桿，特別容易在電子設(shè)備中進(jìn)行快速安裝與拆卸。3環(huán)形變壓器的分類    根據(jù)國外文獻(xiàn)介紹，環(huán)形變壓器可分為標(biāo)準(zhǔn)型、經(jīng)濟(jì)型及隔離型等三類，各類的特點(diǎn)是    1）標(biāo)準(zhǔn)型電源變壓器產(chǎn)品系列容量81500VA，有較小的電壓調(diào)整率、滿載運(yùn)行溫升僅為40，允許短時(shí)超載運(yùn)行，適合于要求高的使用場合。    初次級繞組間采用B級（130）的聚酯薄膜絕緣，要求至少包三層絕緣帶，能經(jīng)受交流

5、4000V，1min的耐壓試驗(yàn)。    2）經(jīng)濟(jì)型電源變壓器產(chǎn)品系列容量501500VA，在保證性能的基礎(chǔ)上力求降低造價(jià)，適用于連續(xù)運(yùn)行而不超載的使用場合，運(yùn)行溫升為60，絕緣材料等級為A級（105），當(dāng)滿負(fù)載時(shí)輸出電壓誤差小于3。    3）隔離變壓器產(chǎn)品系列容量501000VA，又可分為工業(yè)用和醫(yī)療設(shè)備用兩系列。隔離變壓器著重是它的絕緣性能，初級與次級間用B級絕緣的聚酯薄膜至少包扎4層，擊穿電壓大于4000V，所有初級引線必須采用雙絕緣導(dǎo)線。變壓器最大溫升低于45。    醫(yī)療用的隔離變壓器除符合上述

6、的要求外，還要符合UL544標(biāo)準(zhǔn)，即初級和次級繞組應(yīng)具有熱保護(hù)，繞組與接地銅屏蔽間隔距離應(yīng)大于13mm。    此外對醫(yī)療用的隔離變壓器還要求在初級繞組裝有溫度保護(hù)開關(guān)，當(dāng)鐵心溫度達(dá)到120時(shí)，溫度保護(hù)開關(guān)斷開，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，開關(guān)自動(dòng)復(fù)位合上。    現(xiàn)將加拿大PLITRON公司出品的標(biāo)準(zhǔn)型環(huán)形變壓器外形尺寸，重量列于表1，外形圖如圖1所示。4環(huán)形變壓器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題41變壓器的功率容量    變壓器的功率容量是決定鐵心尺寸的主要依據(jù)。在很多場合變壓器的負(fù)載是間歇性的，例如音響設(shè)備中的電源變壓器。

7、這時(shí)變壓器的體積和重量較連續(xù)工作時(shí)要減少很多，如圖2所示負(fù)載A段對整個(gè)B段而言是較小的一段，這時(shí)變壓器的工作周期比其熱時(shí)間常數(shù)要短很多，可用式（1）計(jì)算變壓器的額定功率。式中：PN變壓器額定功率（VA）；      PL變壓器負(fù)載功率（VA）；      A接通負(fù)載時(shí)間；      B變壓器工作周期。42電壓調(diào)整率    電壓調(diào)整率是衡量變壓器負(fù)載特性的重要指標(biāo)。電壓調(diào)整率是指當(dāng)輸入電壓不變，負(fù)載電流從零升到額定值時(shí)

8、，輸出電壓U2的相對變化值，通常以百分?jǐn)?shù)表示，如式（2）所示：    式中：U電壓調(diào)整率；      U20空載輸出電壓（V）；      U2變壓器額定負(fù)載時(shí)的輸出電壓（V）。    表2列出加拿大PLITRON公司環(huán)形變壓器的電壓調(diào)整率，其特性曲線如圖3所示，電壓調(diào)整率隨變壓器容量增大而下降。43環(huán)形變壓器效率    由于變壓器有鐵損和銅損，輸出功率PO總是小于輸入功率Pi，變壓器的效率如式（3）所示。

9、    圖4列出了三組不同功率的變壓器效率曲線，隨著容量增大效率明顯增高，容量300VA以上的變壓器，在額定負(fù)載下效率可高達(dá)95以上。44自耦變壓器    當(dāng)只要求升壓或降壓，而不要求初級與次級繞組隔離的情況下，使用自耦變壓器是合適的。自耦變壓器具有體積小，成本低、傳輸功率大等優(yōu)點(diǎn)，用環(huán)形鐵心繞制自耦變壓器因初次級繞組不需絕緣，加工十分方便，體積、重量更小，造價(jià)更低。     要注意的是自耦變壓器初、次級繞組的公共端（COM）要接零線，這樣才安全。    自耦變壓器

10、電路如圖5所示，它的額定功率PAH按式（4）計(jì)算。    PAH=PAO(UHUL)/UH(VA)（4）式中：PAO自耦變壓器輸出功率（VA）；      UH高電壓繞組電壓（V）；      UL低電壓繞組電壓（V）。45溫升問題    環(huán)形變壓器的溫升特性曲線示于圖6，從圖6可看出環(huán)形變壓器的溫升是較低的，對標(biāo)準(zhǔn)型系列，即便是過載120，溫升也不超過70。    變壓器的溫升是由鐵損和銅損兩部分決定的，

11、對疊片式變壓器，這兩部分基本相等，但環(huán)形變壓器由于采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片繞制，并配合良好的退火工藝，其鐵心損耗僅為全部損耗的（1020），所以溫升主要由繞組銅耗決定，合理的設(shè)計(jì)是初、次級繞組的功耗應(yīng)基本平衡。    溫升也與散熱面積關(guān)系很大，由于環(huán)形變壓器鐵心溫升低，繞組在整個(gè)鐵心上均勻繞制，散熱面積和散熱條件都比較好，因此能獲得較低的溫升。46合閘電流    一般變壓器在合閘時(shí)都會產(chǎn)生很大的合閘沖擊電流，而環(huán)形變壓器由于沒有氣隙和具有高磁導(dǎo)率則會造成更大的合閘電流。300VA以下的環(huán)形變壓器可以用一般熔斷器作保護(hù)，但為了防止合閘電流燒斷

12、熔斷器，選擇熔斷器的電流應(yīng)比變壓器初級電流大810倍。300VA以上的環(huán)形變壓器要考慮使用慢速熔斷器或溫度熔斷器作保護(hù)，有時(shí)為了降低該沖擊電流可以將變壓器磁通密度B值取低些。47變壓器與整流電路    大多數(shù)作電源用的環(huán)形變壓器都與整流電路相連，現(xiàn)將最常用的整流電路和變壓器次級電壓U2、次電流I2與直流電壓Ud直流電流Id的關(guān)系列在表3中，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。5環(huán)形變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算    通過設(shè)計(jì)一臺50Hz石英燈用的電源變壓器，其初級電壓U1=220V，次級電壓U2=11.8V，次級電流I2=16.7A，電壓調(diào)整率U7，來說明計(jì)算的方法和

13、步驟。    1）計(jì)算變壓器次級功率P2    P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)    2）計(jì)算變壓器輸入功率P1（設(shè)變壓器效率=0.95）與輸入電流I1式中：K系數(shù)與變壓器功率有關(guān)，K=0.60.8，取K=0.75；    根據(jù)現(xiàn)有鐵心規(guī)格選用鐵芯尺寸為：高H=40mm，內(nèi)徑Dno=55mm，外徑Dwo=110mm。式中：f電源頻率（Hz），f=50Hz；      B磁通密度（T）,B=1.4

14、T。    N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。    6）選擇導(dǎo)線線徑    繞組導(dǎo)線線徑d按式(10)計(jì)算式中：I通過導(dǎo)線的電流（A）；      j電流密度，j=2.53A/mm2。    當(dāng)取j=2.5A/mm2時(shí)代入式(10)得用兩條d=2.12mm（考慮絕緣漆最大外徑為2。21mm）導(dǎo)線并繞。因?yàn)?.94導(dǎo)線的截面積Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm導(dǎo)線的

15、截面積為3.53mm2兩條并聯(lián)后可得截面積為：2×3.53=7.06mm2，完全符合要求且裕度較大。6環(huán)形變壓器的結(jié)構(gòu)計(jì)算    環(huán)形變壓器的繞組是用繞線機(jī)的繞線環(huán)在鐵心內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而繞制的，因此鐵心內(nèi)徑的尺寸對加工過程十分重要，結(jié)構(gòu)計(jì)算的目的就是檢驗(yàn)繞完全部繞組后，內(nèi)徑尚余多少空間。若經(jīng)計(jì)算內(nèi)徑空間過小不符合繞制要求時(shí)，可以修改鐵心尺寸，只要維持截面積不變，電性能也基本不變。    已知鐵心內(nèi)徑Dno=55mm，圖7中各絕緣層厚度為to=1.5mm，t1=t2=1mm。    1）計(jì)算繞完初級

16、繞組及包絕緣后的內(nèi)徑Dn2    計(jì)算初級繞組每層繞的匝數(shù)n1   式中：Dn1鐵心包絕緣后的內(nèi)徑，Dn1=Dno2t0=55(2×1.5)=52mm；      kp疊繞系數(shù)，kp=1.15。則初級繞組的層數(shù)Q1為       初級繞組厚度1為    2）計(jì)算次級繞組的厚度2    計(jì)算次級繞組每層繞的匝數(shù)n2，考慮到次級繞組是用2×d2=2×2.21mm

17、導(dǎo)線并繞，則    可見繞完繞組后，內(nèi)徑還有裕量，所選鐵芯尺寸是合適的。7環(huán)形變壓器樣品的性能測試    為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，對按設(shè)計(jì)參數(shù)制成的環(huán)形變壓器樣品進(jìn)行了性能測試，結(jié)果如下。71空載特性測試    測量電路如圖8所示。測得的數(shù)據(jù)列于表4，按照表4的數(shù)據(jù)，繪出圖9所示的空載特性曲線。    從變壓器的空載特性看出設(shè)計(jì)符合要求，在額定工作電壓220V時(shí)（工作點(diǎn)為A），變壓器的空載電流只有13.8mA，即使電源電壓上升到240V變壓器工作在B點(diǎn)鐵心還未飽和，有較大的裕

18、度。72電壓調(diào)整率測量    變壓器在空載時(shí)測得的次級空載電壓U20=12.6V，當(dāng)通以額定電流I2=16.7A時(shí)，次級輸出電壓為U2=11.8V，按式（2）計(jì)算電壓調(diào)整率為        變壓器電壓調(diào)整率達(dá)到U<7的指標(biāo)。73溫升試驗(yàn)    用電阻法對變壓器繞組進(jìn)行溫升試驗(yàn)，在通電4h變壓器溫升穩(wěn)定后進(jìn)行測試，并按式（12）計(jì)算繞組平均溫升m。    測量的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果列于表5    從溫升試驗(yàn)結(jié)果看出所設(shè)計(jì)的變壓器已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)型溫升標(biāo)準(zhǔn)，即m<40，初次級繞組溫升基本相等，即兩繞組功耗較均衡。74絕緣性能試驗(yàn)    1）絕緣