电源变压器的功能是功率传送.doc

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1、电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁器件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA至0.5kVA为中功率，0.5kVA至25VA为小功率，25VA以下为微功率。传送功率不同，电源变压器的设计也不一样，应当是不言而喻的。有人根据它的主要功能是功率传送，把英文名称“Power Transformers”译成“功率变压器”，在许多文献资料中仍然在使用。究竟是叫“电源变压器”，还是叫“功率变压器”好呢？有待于科技术语方面的权威机构来选择决定。 同一个英文名称“Power Transfor

2、mer”，还可译成“电力变压器”。电力变压器主要用于电力输配系统中起功率传送、电压变换和绝缘隔离作用，原边电压为6kVA以上的高压，功率最小5kVA，最大超过上万kVA。电力变压器和电源变压器，虽然工作原理都是基于电磁感应原理，但是电力变压器既强调功率传送大，又强调绝缘隔离电压高，无论在磁芯线圈，还是绝缘结构的设计上，都与功率传送小，绝缘隔离电压低的电源变压器有显著的差别，更不可能将电力变压器设计的优化设计条件生搬硬套地应用到电源变压器中去。电力变压器和电源变压器的设计方法不一样，也应当是不言而喻的。 高频电源变压器是工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关

3、电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的。按工作频率高低，可分为几个档次：10kHz-50kHz、50kHz-100kHz、100kHz500kHz、500kHz1MHz、1MHz以上。传送功率比较大的，工作频率比较低；传送功率比较小的，工作频率比较高。这样，既有工作频率的差别，又有传送功率的差别，工作频率不同档次的电源变压器设计方法不一样，也应当是不言而喻的。 如上所述，作者对高频电源变压器的设计原则、要求和程序不存在错误概念，而是在2003年7月初，阅读电源技术应用2003年第6期特别推荐的2篇高频磁性元件设计文章后，产生了疑虑，感到有些问题值得进一步商讨，因

4、此才动笔写本文。正如电源技术应用主编寄语所说的那样：“具体地分析具体情况”，写的目的，是尝试把最难详细说明和选择的磁性元件之一的高频电源变压器的设计问题弄清楚。如有说得不对的地方，敬请几位作者和广大读者指正。2 高频电源变压器的设计原则 高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此高频电源变压器的设计原则和其他商品一样，是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，成为高频电源的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。所以在高频电源变压器的“设计要点”一文中，只谈性能

5、，不谈成本，不能不说是一大缺憾，如果能认真考虑一下高频电源变压器的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。 产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据以往的经验，对高频电源变压器的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对窗口填充程度、绕组导线和结构推荐一些

6、方案，有什么不好？为什么一定要按步就班的来回进行推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在 20世纪80年代中开发高频磁放大器式开关电源，以温升最低为条件，对高频电源变压器进行过优化设计。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修正。现在有些公司的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计高频电源变压器的时间，有的列出简化的设计公式，有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着想，又推广公司产品的双赢行为，是完全符合市场规律的行为，决不是什么需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据，推荐的方案是否是经验的总结？有没有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些说法，都需要经过实践检验，才能

7、站得住脚。 总之，千万记住：高频电源变压器是一种产品（即商品），设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否经受住市场的考验。3 高频电源变压器的设计要求 以设计原则为出发点，可以对高频电源变压器提出四项设计要求：使用条件，完成功能，提高效率，降低成本。3.1 使用条件 使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性，现在由于环境保护意识增强，必须注意电磁兼容性。 可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。有些软磁材料，居里点比较低，对温度敏感。例

8、如锰锌软磁铁氧体，居里点只有215，磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化，除正常温度25而外，还要给出60、80、 100时的各种参考数据。因此，锰锌软磁铁氧体磁芯的温度限制在100以下，也就是环境温度为40时，温升只允许低于60，相当于A级绝缘材料温度。与锰锌软磁铁氧体磁芯相配套的电磁线和绝缘件，一般都采用E级和B级绝缘材料，采用H级绝缘的三重绝缘电磁线和聚酰胺薄膜，是不是大材小用？成本增加多少？是不是因为H级绝缘的高频电源变压器优化的设计方案，可以使体积减少1/21/3的缘故?如果是，请举具体实例数据。作者曾开发H级绝缘工频 50Hz10kVA干式变压器，与B级绝缘工频50Hz 10kV

9、A干式变压器相比，体积减小15%到20%，已经相当可观了。本来体积就比较小的高频100kHz10VA高频电源变压器，如次级绕组采用三重绝缘线，能把体积减小1/21/3，那一定是很宝贵的经验。请有关作者详细介绍优化设计方案，以便广大读者学习。 电磁兼容性是指高频电源变压器既不产生对外界的电磁干扰，又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括可闻的音频噪声和不可闻的高频噪声。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因之一是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩大的软磁材料，产生的电磁干扰大。例如锰锌软磁铁氧体，磁致伸缩系数S为2110-6(负六次方)，是取向硅钢的7倍以上，是高磁导坡莫合金和非晶合金的20倍以上，是微晶纳米晶

10、合金的10倍以上。因此锰锌软磁铁氧体磁芯产生的电磁干扰大。高频电源变压器产生电磁干扰的主要原因还有磁芯之间的吸力和绕组导线之间的斥力。这些力的变化频率与高频电源变压器的工作频率一致。因此工作频率为100kHz左右的高频电源变压器，没有特殊原因是不会产生20kHz以下音频噪声的。既然提出10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10kHz-20kHz，一定有其原因。由于没有画出噪声频谱图，具体原因说不清楚，但是由高频电源变压器本身产生的可能性不大，没有必要采用玻璃珠胶合剂粘合磁芯。至于采用这种粘合工艺可将音频噪声降低 5dB，请列出实例和数据和对噪声原因的详细说明，才会令人可信。 屏蔽是防止电磁

11、干扰，增加高频电源变压器电磁兼容性的好办法。但是为了阻止高频电源变压器的电磁干扰传播，在设计磁芯结构和设计绕组结构也应当采取相应的措施，只靠加外屏蔽带并不一定是最佳方案，因为它只能阻止辐射传播干扰，不能阻止传导传播干扰。3.2 完成功能 高频电源变压器完成功能有三个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。 功率传送有两种方式。第一种是变压器功率的传送方式，加在原绕组上的电压，在磁芯中产生磁通变化，使副绕组感应电压，从而使电功率从原边传送到副边。在功率传送过程中，磁芯又分为磁通单方向变化和磁通双方向变化两种工作模式。单方向变化工作模式，磁通密度从最大值 Bm变化到剩余磁通密度Br，或者从Br变化到Bm。

12、磁通密度变化值B=Bm-Br。为了提高B，希望Bm大，Br小。双方向变化工作模式磁通度从+ Bm变化到-Bm，或者从-Bm变化到+Bm。磁通密度变化值B=2Bm，为了提高B，希望Bm大，但不要求Br小，不论是单方向变化工作模式还是双方向变化工作模式，变压器功率传送方式都不直接与磁芯磁导率有关，第二种是电感器功率传送方式，原绕组输入的电能，使磁芯激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁使副绕组感应电压，变成电能释放给负载。传送功率决定于电感磁芯储能，而储能又决定于原绕组的电感。电感与磁芯磁导率有关，磁导率高，电感量大，储能多。而不直接与磁通密度有关。虽然功率传送方式不同，要求的磁芯参数不一样，但是在

13、高频电源变压器设计中，磁芯的材料和参数的选择仍然是设计的一个主要内容。在电源变压器“设计要点”一文中，很遗憾缺少这一个主要内容。只是“降低交流损耗”一节中，提出BAC典型值为0.04-0.075T。显然，文中的高频电源变压器采用电感功率传送方式，为什么不提磁导率，而提BAC弄不清楚。经查阅，在电源技术应用2003年1-2期，同一主要作者写的开关电源“设计要点”一文中，列出一节“磁芯的选择”，也没有提磁导率，只是提出最大磁通密度Bm为0.275T。由于没有画磁通密度变化波形，弄不清楚前文中的BAC和后文中的Bm是否一致：为什么BAC和Bm 相差6.83.7倍？更不清楚，选的那一种软磁铁氧体材料？

14、为什么选这种型号？两文中都没有一点说明，只好让读者自己去猜想了。 电压变换通过原边和副边绕组匝数比来完成。不管功率传送是那一种方式，原边和副边的电压变换比等于原和副绕组匝数比。绕组匝数设计成多少，只要不改变匝数比，就不影响电压变换。但是绕组匝数与高频电源变压器的漏感有关。漏感大小与原绕组匝数的平方成正比。有趣的是，漏感能不能规定一个数值？电源技术应用 2003年第6期同时刊登的两篇文章有着不同的说法。“设计要点”一文中说：“对于一符合绝缘及安全标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的1%3%”。“辨析”一文中说：“在很多技术单上，标注着漏感=1%的磁化电感或漏感N1时，其感应电动势

15、要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：式中n称为电压比(圈数比).当nN2，V1V2，该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器. B.变压器的效率： 在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即=(P2P1)x100%式中为变压器的效率;P1为输入功率，P2为输出功率. 当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率等于100%，变压器将不产生任何损耗.但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损. 铜损是指变压器线圈

16、电阻所引起的损耗.当电流通过线圈电阻发热时，一部分电能就转变为热能而损耗.由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损. 变压器的铁损包括两个方面.一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗.另一是涡流损耗，当变压器工作时.铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流.涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗. 变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率

17、也就越高.反之，功率越小，效率也就越低. 变压器的功率 变压器铁心磁通和施加的电压有关。在电流中励磁电流不会随着负载的增加而增加。虽然负载增加铁心不会饱和，将使线圈的电阻损耗增加，超过额定容量由于线圈产生的热量不能及时的散出，线圈会损坏，假如你用的线圈是由超导材料组成，电流增大不会引起发热，但变压器内部还有漏磁引起的阻抗，但电流增大，输出电压会下降，电流越大，输出电压越低，所以变压器输出功率不可能是无限的。假如你又说了，变压器没有阻抗，那么当变压器流过电流时会产生特别大电动力，很容易使变压器线圈损坏，虽然你有了一台功率无限的变压器但不能用。只能这样说，随着超导材料和铁心材料的发展，相同体积或重

18、量的变压器输出功率会增大，但不是无限大！ 参数电源变压器标称功率、电压、电流等参数的标记，日久会脱落或消失。有的市售变压器根本不标注任何参数。这给使用带来极大不便。下面介绍无标记电源变压器参数的判别方法。此方法对选购电源变压器也有参考价值。 一、识别电源变压器 从外形识别 常用电源变压器的铁芯有形和形两种。形铁芯变压器呈壳式结构（铁芯包裹线圈），采用、优质硅钢片作铁芯，应用广泛。形铁芯变压器用冷轧硅钢带作铁芯，磁漏小，体积小，呈芯式结构（线圈包裹铁芯）。 从绕组引出端子数识别 电源变压器常见的有两个绕组，即一个初级和一个次级绕组，因此有四个引出端。有的电源变压器为防止交流声及其他干扰，初、次级

19、绕组间往往加一屏蔽层，其屏蔽层是接地端。因此，电源变压器接线端子至少是个。 从硅钢片的叠片方式识别 形电源变压器的硅钢片是交*插入的，片和片间不留空气隙，整个铁芯严丝合缝。音频输入、输出变压器的片和片之间留有一定的空气隙，这是区别电源和音频变压器的最直观方法。至于形变压器，一般都是电源变压器。 二、功率的估算 电源变压器传输功率的大小，取决于铁芯的材料和横截面积。所谓横截面积，不论是形壳式结构，或是形芯式结构（包括形结构），均是指绕组所包裹的那段芯柱的横断面（矩形）面积。在测得铁芯截面积之后，即可按2估算出变压器的功率。式中的单位是2。 例如：测得某电源变压器的铁芯截面积2，估算其功率，得22

20、?剔除各种误差外，实际标称功率是。 三、各绕组电压的测量 要使一个没有标记的电源变压器利用起来，找出初级的绕组，并区分次级绕组的输出电压是最基本的任务。现以一实例说明判断方法。 例：已知一电源变压器，共个接线端子。试判断各绕组电压。 第一步：分清绕组的组数，画出缏吠糩? 用万用表挡测量，凡相通的端子即为一个绕组。现测得：两两相通的有组，三个相通的有组，还有一个端子与其他任何端子都不通。照上述测量结果，画出电路图，并编号。 从测量可知，该变压器有个绕组，其中标号、的是一带抽头的绕组，号端子与任一绕组均不相通，是屏蔽层引出端子。 第二步：确定初级绕组。 对于降压式电源变压器，初级绕组的线径较细，匝

21、数也比次级绕组多。因此，像图这样的降压变压器，其电阻最大的是初级绕组。 第三步：确定所有次级绕组的电压。 在初级绕组上通过调压器接入交流电，缓缓升压直至。依次测量各绕组的空载电压，标注在各输出端。如果变压器在空载状态下较长时间不发热，说明变压器性能基本完好，也进一步验证了判定的初级绕组是正确的。 四、各次级绕组最大电流的确定 变压器次级绕组输出电流取决于该绕组漆包线的直径。漆包线的直径可从引线端子处直接测得。测出直径后，依据公式2，可求出该绕组的最大输出电流。式中的单位是。 种类及特点一般常用电源变压器的分类可归纳如下： (1)按相数分： (1)单相电源变压器：用于单相负荷和三相电源变压器组。

22、 (2)三相电源变压器：用于三相系统的升、降电压。 (2)按冷却方式分： (1)干式电源变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量电源变压器。 (2)油浸式电源变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。 (3)按用途分： (1)电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。 (2)仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。 (3)试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。 (4)特种变压器：如电炉变压器、鞅溲蛊鱗髡溲蛊鞯取? (4)按绕组形式分： (1)双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。 (2)三绕组变压

23、器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。 (3)自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。 (5)按铁芯形式分： (1)芯式变压器：用于高压的电力变压器。 （2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80%，是目前节能效果较理想的配电变 压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。 (3)壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、找艋鶾鹊牡缭幢溲蛊鳌?div class=bpctrl工作原理12是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器.升压和降压用不同的抽头来实现.比共用线

24、圈少的部分抽头电压就降低.比共用线圈多的部分抽头电压就升高. 2其实原理和普通变压器一样的，只不过他的原线圈就是它的副线圈一般的变压器是左边一个原线圈通过电磁感应，使右边的副线圈产生电压，择畋溲蛊鱗亲约河跋熳约骸? 3自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组；当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组，自耦变压器的其余部分称为串联绕组，同容量的自藕变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高这个优点就越加突出。因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和

25、输送容量的增大，自藕变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用. 由电磁感应的原理可知,变压器并不要有分开的原绕组和副绕组,只有一个线圈也能达到变换电压的目的.在图1中,当变压器原绕组W1接入交流电源U1时,变压器原绕组每匝的电压降,电压平均分配在变压器原绕组1,2,变压器副绕组W2的电压等于原绕组每匝电压乘以3,4的匝数.在U1不变的下,变更W1和W2的比例,就得到不同的U2值.这种原,副绕组直接串联,自行偶合的变压器就叫自藕变压器,又叫单圈变压器. 普通变压器的原,副绕组是互相绝缘的,只用磁的联系而没有电的联系,依线圈组数的不同,这种变压器又可分为双圈变压器或多圈变压器.由电磁感应的

26、原理可知,并不要有分开的原绕组和副绕组,只有一个线圈也能达到变换电压的目的.在图1中,当原绕组W1接入交流电源U1时,原绕组每匝的电压降,电压平均分配在原绕组1,2,副绕组W2的电压等于原绕组每匝电压乘以3,4的匝数.在U1不变的下,变更W1和W2的比例,就得到不同的U2值.这种原,副绕组直接串联,自行偶合的变压器称为自耦变压器,又叫单圈变压器. 自耦变压器中的电压,电流和匝数的关系和变压器,既:U1/U2=W1/W2=I2/I1=K 自耦变压器最大特点是,副绕组是原绕组的一部分(如图1的自耦降压变压器),或原绕组是副绕组的一部分(如图2的自耦升压变压器). 自藕变压器原,副绕组的电流方向和普

27、通变压器一样是相反的. 在忽略变压器的激磁电流和损耗的下,可如下关系式 降压:I2=I1+I,I=I2-I1 升压:I2=I1-I,I=I1-I2 P1=U1I1,P2=U2I2 式中: I1是原绕组电流,I2是副绕组电流 U1是原绕组电压,U2是副绕组电压 P1是原绕组功率,P2是副绕组功率 功能电源变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primary coil);而跨于

28、此线圈的电压称之为一次电压.。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的匝数比所决定的。因此，电源变压器区分为升压与降压变压器两种。 大部份的电源变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得

29、电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。 电源变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供60Hz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部份属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。 各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。阻抗

30、其中之一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备-变压器。 对于电子装置而言，重量和空间通常是一项努力追求之目标，至于效率、安全性与可靠性，更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显著百分比的重量和空间外，另一方面在可靠性方面，它亦是衡量因子中之一要项。在它应用方面的差别，使得电力变压器并不适合应用于电子电路上. 变压器-利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器是电能传递或作为信号传输的重要元件 1.电源变压器 - 静止的电磁装置 电源变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能 电源变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕