中心論題:
- 環(huán)形變壓器的特點
- 環(huán)形變壓器的分類
- 環(huán)形變壓器應用中應注意的問題
- 環(huán)形變壓器的設計計算
- 環(huán)形變壓器的結構計算
- 環(huán)形變壓器樣品的性能測試
解決方案:
- 電效率高,鐵心無氣隙
- 外形尺寸小,重量輕
- 磁干擾較小
- 振動噪聲較小
- 運行溫度低
- 容易安裝
環(huán)形變壓器是電子變壓器的一大類型,已廣泛應用于家電設備和其它技術要求較高的電子設備中,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,廣泛應用于計算機、醫(yī)療設備、電訊、儀器和燈光照明等方面。
環(huán)形變壓器由于有優(yōu)良的性能價格比,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器,本文擬就它的特點作一介紹。
環(huán)形變壓器的特點
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。
a.電效率高,鐵心無氣隙,疊裝系數(shù)可高達95%以上,鐵心磁導率可取1.5~1.8T(疊片式鐵心只能取1.2~1.4T),電效率高達95%以上,空載電流只有疊片式的10%。
b.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,可以設計出符合要求的外形尺寸。
c.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,這種結構導致了漏磁小,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備上,例如應用在低電平放大器和醫(yī)療設備上。
d.振動噪聲較小,鐵心沒有氣隙能減少鐵心感應振動的噪音,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。
圖1 環(huán)形變壓器外形圖
e.運行溫度低,由于鐵損可以做到1.1W/kg,鐵損很小,鐵心溫升低,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。
f.容易安裝,環(huán)形變壓器只有中心一個安裝螺桿,特別容易在電子設備中進行快速安裝與拆卸。
環(huán)形變壓器的分類
根據(jù)國外文獻介紹,環(huán)形變壓器可分為標準型、經(jīng)濟型及隔離型等三類,各類的特點是:
a.標準型電源變壓器產(chǎn)品系列容量8~1500VA,有較小的電壓調(diào)整率、滿載運行溫升僅為40℃,允許短時超載運行,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4000V,1min 的耐壓試驗。
b.經(jīng)濟型電源變壓器產(chǎn)品系列容量50~1500VA,在保證性能的基礎上力求降低造價,適用于連續(xù)運行而不超載的使用場合,運行溫升為60℃,絕緣材料等級為A 級(105℃),當滿負載時輸出電壓誤差小于3%。
c.隔離變壓器產(chǎn)品系列容量50~1000VA,又可分為工業(yè)用和醫(yī)療設備用兩系列。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的要求外,還要符合UL544標準,即初級和次級繞組應具有熱保護,繞組與接地銅屏蔽間隔距離應大于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開關,當鐵心溫度達到120℃時,溫度保護開關斷開,當溫度恢復正常時,開關自動復位合上。
環(huán)形變壓器應用中應注意的問題
a.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載是間歇性的,例如音響設備中的電源變壓器。這時變壓器的體積和重量較連續(xù)工作時要減少很多,如圖2 所示負載A段對整個B段而言是較小的一段,這時變壓器的工作周期比其熱時間常數(shù)要短很多,可用式(1)計算變壓器的額定功率。PN=PL(VA)(1)
式中:PN——變壓器額定功率(VA);PL——變壓器負載功率(VA);A——接通負載時間;B——變壓器工作周期。
圖2 變壓器斷續(xù)負載情況
b.電壓調(diào)整率
電壓調(diào)整率是衡量變壓器負載特性的重要指標。電壓調(diào)整率是指當輸入電壓不變,負載電流從零升到額定值時,輸出電壓U2 的相對變化值,通常以百分數(shù)表示,如式(2)所示:ΔU=×100% (2)
式中:ΔU——電壓調(diào)整率;U20——空載輸出電壓(V);U2——變壓器額定負載時的輸出電壓(V)。
圖3 環(huán)形變壓器電壓調(diào)整率與輸出功率的關系曲線
c.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。
圖4 環(huán)形變壓器效率與負載率的關系曲線
d.自耦變壓器
當只要求升壓或降壓,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,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。
自耦變壓器電路如圖5 所示,它的額定功率PAH 按式(4)計算。
PAH=PAO(UH-UL)/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)。
圖5 自耦變壓器電路圖
e.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,對標準型系列,即便是過載120%,溫升也不超過70℃。
圖6 環(huán)形變壓器的溫升與負載率的關系曲線
變壓器的溫升是由鐵損和銅損兩部分決定的,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(10~20)%,所以溫升主要由繞組銅耗決定,合理的設計是初、次級繞組的功耗應基本平衡。
溫升也與散熱面積關系很大,由于環(huán)形變壓器鐵心溫升低,繞組在整個鐵心上均勻繞制,散熱面積和散熱條件都比較好,因此能獲得較低的溫升。
f.合閘電流
一般變壓器在合閘時都會產(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,但為了防止合閘電流燒斷熔斷器,選擇熔斷器的電流應比變壓器初級電流大8~10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,有時為了降低該沖擊電流可以將變壓器磁通密度B 值取低些。
g.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 的關系。
環(huán)形變壓器的設計計算
通過設計一臺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ΔU≤7%,來說明計算的方法和步驟。
a.計算變壓器次級功率P2
P2=I2U2=16.7×11.8=197VA (5)
b.計算變壓器輸入功率P1(設變壓器效率η=0.95)與輸入電流I1:P1=207VA (6);I1=0.94A
c.計算鐵心截面積SS=K(cm2) (7)
式中:K——系數(shù)與變壓器功率有關,K=0.6~0.8,取K=0.75;Po——變壓器平均功率,Po=202VA。則S=0.75=10.66cm2,取S=11cm2。
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。核算所選用的鐵心的截面積S=H=×40×10-2=11cm2
d.計算初級繞組每伏匝數(shù)N10 與匝數(shù)N1N10=(匝/V)(8)
式中:f-電源頻率(Hz),f=50Hz;B-磁通密度(T),B=1.4T。代入得N10==2.9匝/V,取N10=3 匝/V,則N1=N10U1=3×220=660 匝。
e.計算次級繞組每伏匝數(shù)N20 與匝數(shù)N2N20=(匝/V)(9)
代入得N20==3.23 匝/V,則N2=N20•U2=3.23×11.8=38.1 匝,取N2=38 匝。
f.選擇導線線徑
繞組導線線徑d 按式(10)計算d=1.13(mm) (10)
式中:I——通過導線的電流(A);j——電流密度,j=2.5~3A/mm2。
當取j=2.5A/mm2時代入式(10)得d=0.72(mm)則初級繞組線徑d1=0.72=0.69mm,選漆包線外徑為0.72mm。次級繞組線線徑d2=0.72=2.94mm,選用兩條d=2.12mm(考慮絕緣漆最大外徑為221mm)導線并繞。因為 2.94 導線的截面積Sd2=6.78mm2,而d=2.12mm 導線的截面積為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。
環(huán)形變壓器的結構計算
環(huán)形變壓器的繞組是用繞線機的繞線環(huán)在鐵心內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動而繞制的,因此鐵心內(nèi)徑的尺寸對加工過程十分重要,結構計算的目的就是檢驗繞完全部繞組后,內(nèi)徑尚余多少空間。若經(jīng)計算內(nèi)徑空間過小不符合繞制要求時,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,各絕緣層厚度為to=1.5mm,t1=t2=1mm。
a.計算繞完初級繞組及包絕緣后的內(nèi)徑Dn2計算初級繞組每層繞的匝數(shù)n1n1=(匝)(11)
式中:Dn1——鐵心包絕緣后的內(nèi)徑,Dn1=Dno-2t0=55-(2×1.5)=52mm;kp——疊繞系數(shù),kp=1.15。代入得n1==197 匝,則初級繞組的層數(shù)Q1 為Q1===3.35 取整數(shù)Q1=4 層,初級繞組厚度δ1 為
δ1=Q1d1kp=4×0.72×1.15=3.3mm,則初級繞組包絕緣后的內(nèi)徑Dn2 為Dn2=Dn1-2(δ1+t1)=52-2(3.3+1)=43.4mm
b.計算次級繞組的厚度δ2
計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 導線并繞,則n2===27 匝,則次級繞組的層數(shù)Q2 為Q2===1.41,取整數(shù)Q2=2 層。
次級繞組厚度δ2 為δ2=Q2d2kp=2×2.21×1.15=5.08mm
c.計算繞完初次級繞組及包絕緣后的內(nèi)徑Dn4,Dn4=Dn2-2(δ2+t2)=43.4-2(5.08+1)=31.24mm,可見繞完繞組后,內(nèi)徑還有裕量,所選鐵芯尺寸是合適的。
環(huán)形變壓器樣品的性能測試
為檢驗設計方法的準確性,對按設計參數(shù)制成的環(huán)形變壓器樣品進行了性能測試,結果如下。
a.空載特性測試
從變壓器的空載特性看出設計符合要求,在額定工作電壓220V 時(工作點為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點鐵心還未飽和,有較大的裕度。
b.電壓調(diào)整率測量
變壓器在空載時測得的次級空載電壓U20=12.6V,當通以額定電流I2=16.7A 時,次級輸出電壓為U2=11.8V,按式(2)計算電壓調(diào)整率為ΔU=×100%==6.4%,變壓器電壓調(diào)整率達到ΔU<7%的指標。
c.溫升試驗
用電阻法對變壓器繞組進行溫升試驗,在通電4h 變壓器溫升穩(wěn)定后進行測試,并按式(12)計算繞組平均溫升Δτm。
Δτm=(k+t1)-(t2-t1)(12)
從溫升試驗結果看出所設計的變壓器已達到標準型溫升標準,即Δτm<40℃,初次級繞組溫升基本相等,即兩繞組功耗較均衡。
d.絕緣性能試驗
絕緣電阻:用500V搖表測試絕緣電阻,初次級繞組之間的絕緣電阻在常態(tài)下均大于100MΩ。
抗電強度:變壓器初級與次級繞組之間能承受50Hz,4000V(有效值)電壓1min,而無擊穿和飛弧。限定漏電流為1mA,此項試驗證明變壓器的抗電強度達到IEC 標準。
結語
環(huán)形變壓器以其優(yōu)良的性能和有競爭力的性能價格比,可以預期它會在較大領域內(nèi)取代傳統(tǒng)的疊片式變壓器,隨著環(huán)形變壓器技術性能進一步提高,它將會在電子變壓器領域中有更廣闊的應用前景。