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。

2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。 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1.5～1.8T（疊片式鐵心只能取1.2～1.4T），電效率高達(dá)95％以上，空載電流只有疊片式的10％。

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）振動噪聲較小鐵心沒有氣隙能減少鐵心

表1加拿大PLITRON環(huán)形變壓器外形尺寸及重量輸出功率P2/VA變壓器外徑Dw/mm變壓器高度h1/mm裝配后高度h2/mm重量m/kg
85525300.25
156333370.35
307033380.45
508038450.9
809735391.00
1209543471.2
16011045501.8
22511050552.2
30011057622.6
50013563674.0
62514578835.0
75015080855.5
100016080856.3
1500200758011.7

環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

圖1環(huán)形變壓器外形圖

感應(yīng)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。 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，各類的特點是

1）標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行溫升僅為40℃，允許短時超載運(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4000V，1min的耐壓試驗。

2）經(jīng)濟(jì)型電源變壓器產(chǎn)品系列容量50～1500VA，在保證性能的基礎(chǔ)上力求降低造價，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)載時輸出電壓誤差小于3％。

3）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(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，溫度保護(hù)開關(guān)斷開，當(dāng)溫度恢復(fù)正常時，開關(guān)自動復(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

4．1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。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(fù)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(fù)載功率（VA）；

A——接通負(fù)載時間；

B———變壓器工作周期。

4．2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，輸出電壓U2的相對變化值，通常以百

圖2變壓器斷續(xù)負(fù)載情況

圖3環(huán)形變壓器電壓調(diào)整率與輸出功率的關(guān)系曲線

圖4環(huán)形變壓器效率與負(fù)載率的關(guān)系曲線

圖5自耦變壓器電路圖

圖6環(huán)形變壓器的溫升與負(fù)載率的關(guān)系曲線

分?jǐn)?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(fù)載時的輸出電壓（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。

表2環(huán)形變壓器電壓調(diào)整率變壓器功率/VA電壓調(diào)調(diào)整率ΔU/％
（標(biāo)準(zhǔn)型）（經(jīng)濟(jì)型）（隔離型）
822
1520
3018
501320.620.6
801216.116.1
1201113.713.7
160811.211.2
22579.39.3
30069.39.3
50047.47.4
62546.76.7
75046.56.5
100045.55.5
150044.9
4．3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η如式（3）所示。η=（3）

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。

4．4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，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）。

4．5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，對

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環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

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(shè)計是初、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。

4．6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(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熔斷器，選擇熔斷器的電流應(yīng)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(hù)，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。

4．7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)計時參考。

表3整流電路與變壓器參數(shù)電路名稱電路圖變壓器次級電壓U2/V變壓器次級電流I2/A
雙整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
橋式整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
全波中心抽頭1.7(Ud＋1)1.2Id
5環(huán)形變壓器的設(shè)計計算

通過設(shè)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。

1）計算變壓器次級功率P2

P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)

2）計算變壓器輸入功率P1（設(shè)變壓器效率η=0.95）與輸入電流I1P1===207VA(6)I1===0.94A

3）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(guān)，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

4）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。

5）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。

6）選擇導(dǎo)線線徑

圖7環(huán)形變壓器截面圖

繞組導(dǎo)線線徑d按式(10)計算d=1.13(mm)(10)

式中：I——通過導(dǎo)線的電流（A）；

j——電流密度，j=2.5～3A/mm2。

當(dāng)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2?21mm）導(dǎo)線并繞。因為?2.94導(dǎo)線的截面積Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm導(dǎo)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。

6環(huán)形變壓器的結(jié)構(gòu)計算

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，圖7中各絕緣層厚度為to=1.5mm，t1=t2=1mm。

1）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

2）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(dǎo)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

3）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。

7環(huán)形變壓器樣品的性能測試

為檢驗設(shè)計方法的準(zhǔn)確性，對按設(shè)計參數(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。

7．1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。

7．2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(dāng)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

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表4環(huán)形變壓器空載特性測量數(shù)據(jù)表交流輸入電壓U1/V空載電流I0/mA
202.1
403.3
604.0
804.9
1005.6
1206.4
1407.3
1608.3
1809.6
20011.2
22013.8
24018
25022.7

環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

圖9環(huán)形變壓器空載特性曲線

圖8空載特性測量電路

ΔU=×100％==6.4％
變壓器電壓調(diào)整率達(dá)到ΔU<7％的指標(biāo)。

7．3溫升試驗

用電阻法對變壓器繞組進(jìn)行溫升試驗，在通電4h變壓器溫升穩(wěn)定后進(jìn)行測試，并按式（12）計算繞組平均溫升Δτm。Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）

測量的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果列于表5

表5200VA環(huán)形變壓器溫升試驗數(shù)據(jù)繞組類別測冷阻（r1）時的環(huán)境溫度t1/℃測熱阻（r2）時的環(huán)境溫度t2/℃t1時繞組電阻r1/Ωt2時繞組電阻r2/Ω常數(shù)k繞組平均溫升Δτ/℃
初級34.835.55.2755.958234.534.2
次級34.835.50.018520.0208234.532.5
從溫升試驗結(jié)果看出所設(shè)計的變壓器已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)型溫升標(biāo)準(zhǔn)，即Δτm<40℃，初次級繞組溫升基本相等，即兩繞組功耗較均衡。

7．4絕緣性能試驗

1）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。

2）抗電強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)。

8結(jié)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(yù)期它會在較大領(lǐng)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(shù)性能進(jìn)一步提高，它將會在電子變壓器領(lǐng)域中有更廣闊的應(yīng)用前景。

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