#微鯨電視的那些事#變壓器的基本知識(上)工頻電源變壓器

變壓器(Transformer)是一種用於電能轉換的電器設備,它可以把一種電壓、電流的交流電能轉換成相同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。變壓器幾乎在所有的電子產品中直接或間接都會使用到,是當今電子產品中使用最普遍也是最重要的部件之一。

變壓器的主要功能有:電壓變換、阻抗變換、隔離、穩壓(磁飽和變壓器)等。根據不同的使用場合(用途)變壓器的技術參數、安全性能和生產工藝都會有所不同的要求。由於變壓器依據不同的功能和用途,種類很多。本文將就最常用的低頻(非電力)電源變壓器的結構、一般電性能參數和生產工藝進行簡單介紹。

一、 變壓器的工作原理

圖1 - 變壓器的構造和電路符號

變壓器主要由閉合鐵芯(絕緣矽鋼片疊合而成)、原線圈(初級線圈n1)和副線圈(次級線圈n2)構成。圖1顯示瞭變壓器的基本構造。從圖中可以看出,原副線圈之間隻有磁的聯系,而沒有直接的電聯系。變壓器原副線圈中由於交變電流而發生的互相感應現象,稱為互感現象。互感現象是變壓器工作的基礎。

圖2 – 變壓器的工作原理

當變壓器的原線圈接入交變電源u1後,原線圈n1流過交流電流i1, 並在閉合鐵芯中形成交變的磁通Φ,閉合鐵芯中的交變磁通Φ在原副線圈中分別產生感應電動勢e1e2, 並在副線圈中形成交流的電壓u2, 完成磁能到電能的轉換。如圖2所示。

根據電磁感應定律,列出電動勢的瞬時方程式如下:

e469bbde7a2c26d4cb76c9625619b8f1

(式一)

從以上可以總結出變壓器的工作原理:

(一)互感現象:互感現象是變壓器工作的基礎,從式1可以看出,隻有交變的磁通才能產生互感現象,而直流無法產生交變的磁通,所以變壓器隻能用於交流的電壓變換。

(二)能量轉換:變壓器的能量傳遞是“電能à磁場能à電能”的過程。

對於理想的變壓器(不考慮變壓器的鐵損和銅損時),變壓器還符合以下特性:

(1)理想變壓器的輸入功率等於輸出功率,即:

9ff2004f49f27bc7339c864c980dae38

(式二)

(2)理想變壓器的原副邊線圈匝數與原副邊電壓成正比,與它們的電流成反比,即:

cb2465a2814775486a6cafea91e0149d

(式三)

從式3可以得出以下結論:

(a)當N1>N2時,則u1>u2,是降壓型變壓器。反之當N1<N2時,則u1<u2, 是升壓型變壓器。

(b)隻要改變原副邊線圈的匝數比,就能改變電壓的大小。

(c)改變電壓的同時,也會改變電流的大小。

註:公式3隻適用於隻有1個原副線圈的變壓器。

二、變壓器的基本結構

電源變壓器的種類很多,根據變壓器的鐵芯的形狀結構有多種分類,一般常見的有EI型變壓器、環型變壓器、R型變壓器、C型變壓器以及它們的變異衍生類型等。無論何種類型的變壓器,構成它們的部件基本相同,主要包含鐵芯、繞組(線圈)、絕緣結構和其它附件。

2.1 EI型變壓器

EI型變壓器因鐵芯由E型和I型鐵芯組成閉合鐵芯,如圖3。

圖3 – EI 型變壓器

(1) EI鐵芯:

EI型鐵芯一般都由冷軋鋼帶沖壓而成,常用的有“取向高含矽量”和“無取向中高含矽量”兩種類型,EI型鐵芯俗稱又叫矽鋼片。根據鐵損和磁通密度等參數又可以分成不同的牌號等級,不同國傢(公司)有不同的牌號和等級命名方法,如日本新日鐵老式的Z系列取向和H系列無取向系列。取向鋼片一般厚度為0.35 mm,而無取向鋼片厚度一般為0.5 mm, 也有少量0.35mm。同一牌號的無取向鋼片在實際中又有黑片(退火片)和白片之分。通常就性能來說,取向鋼片優於無取向鋼片,薄片優於厚片,退火片優於白片。

EI型鐵芯在裝配上一般有兩種方式,一種為EI交替式,即EI矽鋼片交替對插,優點是矽鋼片之間不需要特別的固定裝置,一般電源用變壓器用該方式居多。另一種是EI片分置式,即E片和I片各一邊, 由於兩邊完全分開,因此需要特別的固定方式,如焊接或者L支架螺絲固定。優點是可以根據要求方便的在EI片之間設置氣隙,該方式一般隻在特殊場合中應用,比如功放中的音頻輸出變壓器。

(2)線圈繞組:

線圈繞組是構成變壓器的主要組成部分。線圈一般是漆包線,通常用漆包線繞制在變壓器骨架上。對於單輸入和輸出的線圈,如無特別要求,不需要識別相位。但對於多輸入或輸出的線圈,需要註意線圈的相位關系。

(3)絕緣結構:

EI型變壓器通常由骨架和護套構成基本的絕緣結構,有耐溫和阻燃要求。EI變壓器骨架材質一般有PP、PBT、尼龍和電木等。骨架根據線圈繞組的固定和分配方式有單坑(工字)、雙坑(王字)、多坑及帶護套的單坑等多種結構。實際應用中應選擇合適的結構以滿足不同的安全和性能要求。

(4) 其它附件:

其它附件包含絕緣膠帶、引線、絕緣油和凡立水等。

2.2 環型變壓器

環型變壓器的鐵芯形狀是圓環形,由鋼帶由內而外圈繞而成,如圖4。

圖4 – 環型變壓器

圖4中左圖是成品環型變壓器,右圖是變壓器的鐵芯。環型變壓器的鐵芯同EI型變壓器的鐵芯材質基本相同,主要是由取向冷軋鋼帶圈繞而成。厚度一般不超過0.35 mm,更加優質的變壓器鐵芯厚度更是在0.27 mm以下。較好的環型變壓器鐵芯都是由整條鋼帶圈繞而成,而質量較差的鐵芯可能由多段鋼帶拼接繞制而成。

環型變壓器一般沒有EI型變壓器的骨架,主副線圈之間以及線圈與鐵芯之間用絕緣膠帶進行隔離,以滿足相應的安全要求。由於鐵芯是由鋼帶圈繞而成,在內外側邊緣上應做防護處理,以避免損傷漆包線的絕緣層而導致功能和安全失效。

2.3 R型變壓器

R型變壓器的鐵芯形狀是呈形型,截面也呈圓形,如圖5

圖5 – R形變壓器

圖5中左圖成品的R型變壓器,右圖為R型鐵芯和隔離骨架。R型變壓器的鐵芯由高牌號的取向冷軋鋼帶無切割繞制並退火而成,R型變壓器鐵芯截面是圓形。R形變壓器有2組圓形骨架,主副線圈繞組分別繞制在兩個骨架上。相比環型變壓器,R型變壓器由於鐵芯和骨架形狀,線圈之間間隙很小(環形變壓器外圈半徑比內圈大,所以外圈存在間隙),能夠實現緊密繞制,且線圈的長度更短。因此R型變壓器比環型變壓器有更小的漏磁、空載勵磁電流、損耗和發熱。由於有骨架,並且原副線圈邊分開繞制,因此R型變壓器相比環形變壓器有更好的電氣絕緣性能。因此R型變壓器主要用在相當高要求的場合,如高檔音響和精密儀器。

三、變壓器的性能參數

3.1 損耗和效率

實際中的變壓器不是理想狀態,存在一定的損耗,主要包含鐵損和銅損兩部分。

(1)鐵損PFe:當變壓器的原邊繞組通過交流電源後,鐵芯在交變磁通下產生的磁滯損耗和渦流損耗,該部分損耗產生於鐵芯中並以發熱的形式消耗有功功率,故稱為變壓器的鐵損。鐵損取決於變壓器的磁通,而磁通主要取決於線圈上的電壓和頻率,與負載電流無關,因此鐵損是恒定損耗。變壓器在空載狀態下,原邊線圈的電流很小,線圈損耗可以忽略不計,故變壓器的空載損耗即為變壓器的鐵損。

(2)銅損PCu:變壓器的線圈存在電阻,當電流流過時在線圈上產生的損耗即為銅損,由於大部分線圈材質都是銅,故又稱銅損。銅損與負載電流和溫度等相關,因此銅損是可變損耗。可用簡易方法大致確認變壓器的銅損:將副邊線圈短路,然後在原邊線圈從0 V開始逐步升高電壓(額定頻率),直到原邊線圈的輸入電流達到額定電流Ir,由於滿載時的鐵損較小,可忽略不計,故認為此時的輸入功率即為變壓器的銅損。

(3)效率η:由於變壓器存在著鐵損與銅損,所以它的輸出功率永遠小於輸入功率,為此我們引入瞭一個效率的參數來對此進行描述,η=輸出功率/輸入功率。

3.2發熱性能

由於變壓器存在鐵損和銅損,這些損耗以發熱的形式表現出來,所以變壓器在工作時會發出熱量。變壓器的發熱要求與材料工藝、設計目標、應用場合和安全標準等相關。低頻電源變壓器的發熱驗證主要有電耦法和電阻法。電耦法適用於熱電耦容易固定的場合。而電阻法適用於線圈阻值較大的場合。對於大多數場合,兩種測試方法都是適用的。式 4是電阻法的計算公式。

(式4)

式中:

3.3線圈直流電阻

線圈直流電阻的直接影響變壓器的關鍵電氣性能,影響直流電阻的因素有漆包線的線徑、材質、線圈的長度(松緊度、平整度和匝數)。測量線圈直流電阻時,變壓器應當在穩定的溫度環境下放置足夠長的時間,以保證變壓器內部溫度的平衡。對於匝數少,線徑粗和阻值小的線圈,應充分考慮測試系統(如儀表線材和接觸電阻)的影響,必要時可使用毫歐表或電橋進行測量,以確保測試結果的準確度。

3.4 絕緣性能

絕緣性能對電源變壓器和高電壓應用場合的變壓器至關重要,影響絕緣性能的因素很多,如變壓器的絕緣結構、繞組分佈、絕緣材料性能以及生產工藝等。副邊線圈輸出的負載如果是可觸摸的,通常應不低於3kV甚至更高(安全標準不同,要求會有差異)。同時應註意測試時是否有引發明顯的電弧現象,如果有,電弧是否為絕緣結構的損壞或缺陷引起,應加以分析並盡可能改善。

3.5 其它性能

電源變壓器除瞭溫升和效率外,實際應用中可能還有其它一些重要參數,如空載功率、負載調整率、漏磁、噪音和對應的安全法規要求。

文:yunzheng xu

发表回复

相关推荐

今年是什么虎年呀?2022年是金虎还是木虎?

今年属虎人迎来了本命年,而在本命年这年有很多禁忌,且在这一年会受到诸多影响,当然出生的虎宝宝也会因月份不同而五行属性 ...

· 8秒前

日语学习 重新认识日文中的拼音—五十音图

我们在学习一门语言的时候,不管是英语,日语或者是中文,我们都是从最简单所谓的拼音开始的。英语有音标的学习,中文有声母 ...

· 17秒前

《日落黄昏时》GI 评测 8.75 分:融合电影与漫画之精华

人的选择会产生无法预知的后果——如果有人想用一个主题将《日落黄昏时》的剧情和玩法联系起来,这句话肯定是避不开的。人生充 ...

· 26秒前

小米云

云服务的核心价值是将『用户数据』独立化,人格化,将『智能设备』视作『用户数据』的『住所』之一,『用户数据』不仅可以在 ...

· 36秒前

期货开户期货公司如何选择?手续费保证金如何判断选择?交返如何申请?

期货开户以下几个方面去具体去谈谈如何选择期货公司?首先先得出结论,一定要选择手续费、保证金低,并且有交返的期货公司才 ...

· 45秒前