讲述环形变压器和应用.docx

表达环形变压器与其应用---------------------------------------------- 日期：1 / 17.环形变压器与其应用1 引言环形变压器是电子变压器的一大类型，已广泛应用于家电设备和其它技术要求较高的电子设备中，它的主要用途是作为电源变压器和隔离变压器；环形变压器在国外已有完整的系列，广泛应用于运算 机、医疗设备、电讯、仪器和灯光照明等方面；我国近十年来环形变压器从无到有，迄今为止已形成相当大的生产规模，除中意国需求外，仍大量出口；国主要用于家电的音响设备和自控设备以与石英灯照明等方面；环形变压器由于有优良的性能价格比，有良好的输出特性和抗干扰才能，因而它是一种有竞争力的电子变压器，本文拟就它的特点作一介绍；2 环形变压器的特点环形变压器的铁心是用优质冷轧硅钢片（片厚一般为 0.35mm以下），无缝地卷制而成，这就使得它的铁心性能优于传统的叠片式铁心；环形变压器的线圈均匀地绕在铁心上，线圈产生的磁力线方向与2 / 17.铁心磁路几乎完全重合，与叠片式相比激磁能量和铁心损耗将减小25％，由此带来了下述一系列的优点；1 ）电效率高铁心无气隙，叠装系数可高达 95％以上，铁心磁导率可取 1.5 ～ 1.8T （叠片式铁心只能取 1.2 ～1.4T ），电效率高达 95％以上，空载电流只有叠片式的 10％；2 ）外形尺寸小，重量轻环形变压器比叠片式变压重视量可以减轻一半，只要保持铁心截面积相等，环形变压器简洁转变铁心的长、 宽、高比例，可以设计出符合要求的外形尺寸；3 ）磁干扰较小环形变压器铁心没有气隙，绕组均匀地绕在环形的铁心上，这种结构导致了漏磁小，电磁辐射也小，无需另加屏蔽都可以用到高灵敏度的电子设备上，例如应用在低电平放大器和医疗设备上；4 ）振动噪声较小铁心没有气隙能削减铁心感应振动的噪音，绕组 均匀紧紧包住环形铁心，有效地减小磁致伸缩引起的“嗡嗡”声； 5）运行温度低由于铁损可以做到 1.1W/kg ，铁损很小，铁心温升低，绕组在温度较低的铁心上散热忱形良好，所以变压器温升低；6 ）简洁安装环形变压器只有中心一个安装螺杆，特别简洁在电子设备中进行快速安装与拆卸；3 环形变压器的分类依据国外文献介绍，环形变压器可分为标准型、经济型与隔离型3 / 17.等三类，各类的特点是1 ）标准型电源变压器产品系列容量 8～ 1500VA，有较小的电压调整率、满载运行温升仅为 40℃，答应短时超载运行，适合于要求高的 使用场合；初次级绕组间接受 B 级（ 130℃）的聚酯薄膜绝缘，要求至少包三层绝缘带，能经受沟通 4000V， 1min 的耐压试验；2 ）经济型电源变压器产品系列容量 50～ 1500VA，在保证性能的基础上力求降低造价，适用于连续运行而不超载的使用场合，运行温升为 60℃，绝缘材料等级为 A 级（ 105℃），当满负载时输出电压误差小于 3％；3 ）隔离变压器产品系列容量 50～ 1000VA，又可分为工业用和医疗设备用两系列；隔离变压器着重是它的绝缘性能，初级与次级间用B 级绝缘的聚酯薄膜至少包扎 4 层，击穿电压大于 4000V，全部初级引线必需接受双绝缘导线；变压器最大温升低于 45℃；医疗用的隔离变压器除符合上述的要求外，仍要符合 UL544标 准，即初级和次级绕组应具有喜爱惜，绕组与接地铜屏蔽间隔距离应大于 13mm；此外对医疗用的隔离变压器仍要求在初级绕组装有温度爱惜开 关，当铁心温度达到 120℃时，温度爱惜开关断开，当温度复原正常时，开关自动复位合上；4 / 17.现将加拿大 PLITRON公司出品的标准型环形变压器外形尺寸，重 量列于表 1，外形图如图 1 所示；4 环形变压器应用中应留意的问题4． 1 变压器的功率容量变压器的功率容量是准备铁心尺寸的主要依据；在很多场合变压器的负载是间歇性的，例如音响设备中的电源变压器；这时变压器的体积和重量较连续工作时要削减很多，如图 2 所示负载 A 段对整个 B段而言是较小的一段，这时变压器的工作周期比其热时间常数要短很多，可用式（ 1）运算变压器的额定功率；5 / 17.式中： PN——变压器额定功率（ VA）； P L——变压器负载功率（ VA）； A ——接通负载时间；B ———变压器工作周期；4． 2 电压调整率电压调整率是衡量变压器负载特性的重要指标；电压调整率是指当输入电压不变，负载电流从零升到额定值时，输出电压 U2的相对变化值，通常以百分数表示，如式（ 2）所示：式中：Δ U——电压调整率；U 20——空载输出电压（ V）；U 2——变压器额定负载时的输出电压（ V）；6 / 17.表 2 列出加拿大 PLITRON公司环形变压器的电压调整率，其特性 曲线如图 3 所示，电压调整率随变压器容量增大而下降；4． 3 环形变压器效率由于变压器有铁损和铜损，输出功率 PO总是小于输入功率 Pi ，变压器的效率 η 如式（ 3）所示；图 4 列出了三组不同功率的变压器效率曲线，随着容量增大效率明显增高，容量 300VA以上的变压器，在额定负载下效率可高达 95％ 以上；7 / 17.4． 4 自耦变压器当只要求升压或降压，而不要求初级与次级绕组隔离的情形下，使用自耦变压器是合适的；自耦变压器具有体积小，成本低、传输功率大等优点，用环形铁心绕制自耦变压器因初次级绕组不需绝缘，加工特别便利，体积、重量更小，造价更低；要留意的是自耦变压器初、次级绕组的公共端（ COM）要接零线，这样才安全；自耦变压器电路如图 5 所示，它的额定功率 PAH按式（ 4）运算； P AH=PAO〔UH－UL〕/U H〔VA〕 （ 4）式中： PAO——自耦变压器输出功率（ VA）； U H——高电压绕组电压（ V）；U L——低电压绕组电压（ V）；8 / 17.4． 5 温升问题环形变压器的温升特性曲线示于图 6，从图 6 可看出环形变压器的温升是较低的，对标准型系列，即便是过载 120％，温升也不超过 70℃；变压器的温升是由铁损和铜损两部分准备的，对叠片式变压器，这两部分基本相等，但环形变压器由于接受优质冷轧硅钢片绕制，并协作良好的退火工艺，其铁心损耗仅为全部损耗的（ 10～ 20）％，所以温升主要由绕组铜耗准备，合理的设计是初、次级绕组的功耗应基本平稳；温升也与散热面积关系很大，由于环形变压器铁心温升低，绕组在整个铁心上均匀绕制，散热面积和散热条件都比较好，因此能获得较低的温升； 4． 6 合闸电流一般变压器在合闸时都会产生很大的合闸冲击电流，而环形变压9 / 17.器由于没有气隙和具有高磁导率就会造成更大的合闸电流； 300VA以下的环形变压器可以用一般熔断器作爱惜，但为了防止合闸电流烧断熔断器，选择熔断器的电流应比变压器初级电流大 8～ 10 倍； 300VA以上的环形变压器要考虑使用慢速熔断器或温度熔断器作爱惜，有时为了降低该冲击电流可以将变压器磁通密度 B 值取低些； 4． 7 变压器与整流电路大多数作电源用的环形变压器都与整流电路相连，现将最常用的整流电路和变压器次级电压 U2、次电流 I2 与直流电压 Ud直流电流 Id的关系列在表 3 中，供设计时参考；5 环形变压器的设计运算通过设计一台 50Hz 石英灯用的电源变压器，其初级电压10 / 17.U1=220V，次级电压 U2=11.8V，次级电流 I 2=16.7A ，电压调整率 ΔU≤ 7％，来说明运算的方法和步骤；1 ）运算变压器次级功率 P2P 2=I 2U2=16.7 11.8=197VA〔5〕2 ）运算变压器输入功率 P1（设变压器效率 η=0.95 ）与输入电流I 1式中： K——系数与变压器功率有关， K=0.6～ 0.8 ，取 K=0.75；依据现有铁心规格选用铁芯尺寸为：高 H=40mm，径 Dno=55mm，外径 Dwo=110mm；式中： f ——电源频率（ Hz）， f=50Hz ； B ——磁通密度（ T） ,B=1.4T ；11 / 17.N 2=N20U2=3.23 11.8=38.1 匝，取 N2=38 匝；6 ）选择导线线径绕组导线线径 d 按式 〔10〕 运算式中： I ——通过导线的电流（ A）；j ——电流密度， j=2.5 ～ 3A/mm2；当取 j=2.5A/mm2 时代入式 〔10〕 得2用两条 d=2.12mm（考虑绝缘漆最大外径为 2；21mm）导线并绕；由于 Φ 2.94 导线的截面积 Sd2=6.78mm，而 d=2.12mm导线的截面积为23.53mm2两条并联后可得截面积为： 23.53=7.06mm，完全符合要求且 裕度较大；6 环形变压器的结构运算环形变压器的绕组是用绕线机的绕线环在铁心作旋转运动而绕制12 / 17.的，因此铁心径的尺寸对加工过程特别重要，结构运算的目的就是检验绕完全部绕组后，径尚余多少空间；如经运算径空间过小不符合绕制要求时，可以修改铁心尺寸，只要保护截面积不变，电性能也基本不变；已知铁心径 Dno=55mm，图 7 中各绝缘层厚度为 t o=1.5mm，t 1=t 2=1mm；1 ）运算绕完初级绕组与包绝缘后的径 Dn2运算初级绕组每层绕的匝数 n1式中： Dn1——铁心包绝缘后的径， Dn1=Dno－ 2t0 =55－〔2 1.5〕=52mm； k p——叠绕系数， kp=1.15 ；13 / 17。