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1、环形变压器应用中应注意的问题作者：日期：环形变压器及其应用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， 广泛应用于计算机、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，除满足国内需求外，还大量出口。国内主要用于 家电的音响设备和自控设备以及石英灯照明等方面。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 抗干扰能力，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
2、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器重量可 以减轻一半，只要保持铁心截面积相等，环形变压器容易改变 铁心的长、宽、高比
3、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减少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情况良 好，所以变压器温升低。6 ）容易安装环形变压器只有中心一个安装螺杆，特别容易 在电子设备中进行快速安装与拆卸。3 环形变压器的分类根据国外文献介
4、绍，环形变压器可分为标准型、经济型及隔 离型等三类，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 ，允许短时超载运行，适 合于要求高的使用场合。初次级绕组间采用 B 级（ 130 ）的聚酯薄膜绝缘，要求至 少包三层绝缘带，能经受交流 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 1
5、000VA ，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 ，所有初级引线必须采用双绝缘导线。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，还要符合UL544 标准，即初级和次级绕组应具有热保护，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还要求在初级绕组装有温度保护 开关，当铁心温度达到 120 时，温度保护开关断开，当温度 恢复正常时，开关自动复位合上。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
6、如图 1 所示。4 环形变压器应用中应注意的问题4 1 变压器的功率容量变压器的功率容量是决定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减少很多，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 ）计算变压器的额定功 率。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
7、，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： U电压调整率；20空载输出电压（ V ）；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 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。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况 下，使用自耦变压器是合适
8、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，加工十分方便，体积、重量更小，造价更低。要注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）计算。P AH=PAO（UHU L）/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 ）。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
9、过 70 。变压器的温升是由铁损和铜损两部分决定的，对叠片式变压器，这两部分基本相等，但环形变压器由于采用优质冷轧硅钢片绕制，并配合良好的退火工艺，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决定，合理的设计是 初、次级绕组的功耗应基本平衡。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 变压器由于没有气隙和具有高磁导率则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保护，但为 了防止合闸电流烧
10、断熔断器，选择熔断器的电流应比变压器初 级电流大 810 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保护，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 环形变压器的设计计算通过设计一台 50Hz 石英灯用的电源变压器，其初级电压U 1=220V ，次级电压 U 2 =11.8V ，次级电流 I2=16.7A ，电压调 整率 U 7，来说明计算的方法和步骤
11、。1 ）计算变压器次级功率 P2P 2=I2U2=16.7 × 11.8=197VA（5）2 ）计算变压器输入功率 P1（设变压器效率 =0.95 ）与输 入电流 I1取根据现有铁心规格选用铁芯尺寸为：高 H=40mm，内径式中： K 系数与变压器功率有关， K=0.6 0.8 ，K=0.75 ；D no =55mm ，外径 D wo =110mm 。式中： f电源频率（ Hz）， f=50Hz ；B磁通密度（ T） ,B=1.4TN 2=N20·U2=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） 计算
12、式中： I 通过导线的电流（ A）；电流密度，j=2.5 3A/mm 2 。当取 j=2.5A/mm2 时代入式 （10） 得用两条 d=2.12mm （考虑绝缘漆最大外径为 2 。21mm ）导线 并绕。因为 2.94 导线的截面积 Sd2=6.78mm 2，而 d=2.12mm 导线的截面积为 3.53mm2 两条并联后可得截面积为：2 × 3.53=7.06mm 2 ，完全符合要求且裕度较大。6 环形变压器的结构计算环形变压器的绕组是用绕线机的绕线环在铁心内作旋转运动 而绕制的，因此铁心内径的尺寸对加工过程十分重要，结构计 算的目的就是检验绕完全部绕组后，内径尚余多少空间。若经
13、 计算内径空间过小不符合绕制要求时，可以修改铁心尺寸，只 要维持截面积不变，电性能也基本不变。已知铁心内径 Dno=55mm ，图 7 中各绝缘层厚度为t o=1.5mm ，t1=t 2=1mm 。1 ）计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径 Dn2计算初级绕组每层绕的匝数 n 1式中： D n1铁心包绝缘后的内径， Dn1=Dno2t0=55 (2 × 1.5)=52mm ；k p 叠绕系数， kp=1.15则初级绕组的层数 Q1 为初级绕组厚度 1 为2 ）计算次级绕组的厚度 2计算次级绕组每层绕的匝数 n 2，考虑到次级绕组是用2×d2=2× 2.21mm 导线并
14、绕，则可见绕完绕组后，内径还有裕量，所选铁芯尺寸是合适的7 环形变压器样品的性能测试为检验设计方法的准确性，对按设计参数制成的环形变压器 样品进行了性能测试，结果如下7 1 空载特性测试测量电路如图 8 所示。测得的数据列于表 4 ，按照表 4 的数 据，绘出图 9 所示的空载特性曲线。从变压器的空载特性看出设计符合要求，在额定工作电压220V 时（工作点为 A），变压器的空载电流只有 13.8mA ， 即使电源电压上升到 240V 变压器工作在 B 点铁心还未饱和， 有较大的裕度。7 2 电压调整率测量变压器在空载时测得的次级空载电压 U20 =12.6V ，当通以额 定电流 I2=16.7
15、A 时，次级输出电压为 U 2 =11.8V ，按式（ 2） 计算电压调整率为变压器电压调整率达到 U<7的指标。7 3 温升试验用电阻法对变压器绕组进行温升试验，在通电 4h 变压器温 升稳定后进行测试，并按式（ 12 ）计算绕组平均温升 m。测量的数据及计算结果列于表 5从温升试验结果看出所设计的变压器已达到标准型温升标准，即 m<40，初次级绕组温升基本相等，即两绕组功耗 较均衡。7 4 绝缘性能试验1 ）绝缘电阻用 500V 摇表测试绝缘电阻，初次级绕组之间的绝缘电阻在 常态下均大于 100M 。2 ）抗电强度变压器初级与次级绕组之间能承受 50Hz ， 4000V （有效 值）电压 1min ，而无击穿和飞弧。限定漏电流为 1mA ，此项 试验证明变压器的抗电强度达到 IEC 标准。8 结语环形变压器以其优良的性能和有竞争力的性能价格比，可以 预期它会在较大领域内取代传统的叠片式变压器，随着环形变 压器技术性能进一步提高，它将会在电子变压器领域中有更广 阔的应用前景