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。
优点一 1)电效率心无气隙,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%。
优点二 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、高比例,可以设计出符合要求的外形尺寸。
优点三 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。
优点四 4)振动噪声较小铁心没有气隙能减少铁心
常用的变压器铁芯一般都是用硅钢片制做的。硅钢是一种合硅(硅也称矽)的钢,其含硅量在0.8~4.8%。由硅钢做变压器的铁芯,是因为硅钢本身是一种导磁能力很强的磁性物质,在通电线圈中,它可以产生较大的磁感应强度,从而可以使变压器的体积缩小。 我们知道,实际的变压器总是在交流状态下工作,功率损耗不仅在线圈的电阻上,也产生在交变电流磁化下的铁芯中。通常把铁芯中的功率损耗叫“铁损”,铁损由两个原因造成,一个是“磁滞损耗”,一个是“涡流损耗”。 磁滞损耗是铁芯在磁化过程中,由于存在磁滞现象而产生的铁损,这种损耗的大小与材料的磁滞回线所包围的面积大小成正比。硅钢的磁滞回线狭小,用它做变压器的铁芯磁滞损耗较小,可使其发热程度大大减小。 既然硅钢有上述优点,为什么不用整块的硅钢做铁芯,还要把它加工成片状呢? 这是因为片状铁芯可以减小另外一种铁损——“涡流损耗”。变压器工作时,线圈中有交变电流,它产生的磁通当然是交变的。这个变化的磁通在铁芯中产生感应电流。铁芯中产生的感应电流,在垂直于磁通方向的平面内环流着,所以叫涡流。涡流损耗同样使铁芯发热。为了减小涡流损耗,变压器的铁芯用彼此绝缘的硅钢片叠成,使涡流在狭长形的回路中,通过较小的截面,以增大涡流通路上的电阻;同时,硅钢中的硅使材料的电阻率增大,也起到减小涡流的作用。 用做变压器的铁芯,一般选用0.35mm厚的冷轧硅钢片,按所需铁芯的尺寸,将它裁成长形片,然后交叠成“日”字形或“口”字形。从道理上讲,若为减小涡流,硅钢片厚度越薄,拼接的片条越狭窄,效果越好。这不但减小了涡流损耗,降低了温升,还能节省硅钢片的用料。但实际上制作硅钢片铁芯时。并不单从上述的一面有利因素出发,因为那样制作铁芯,要大大增加工时,还减小了铁芯的有效截面。所以,用硅钢片制作变压器铁芯时,要从具体情况出发,权衡利弊,选择最佳尺寸。 变压器是根据电磁感应的原理制成的.在在闭合的铁芯柱上面绕有两个绕组,一个原绕组,和一个副绕组.当原绕组假上交流电源电压时.原饶组流有交变电流,而建立磁势,在磁势的作用下铁芯中便产生交变主磁通,主磁通在铁芯中同时穿过,{交链]一.二次绕组而闭合由于电磁感应作用分别在一、二次绕组产生感应电动势,至于为什么它可以升压和降压呢?那就需要用楞次定律来解释了,感应电流产生的磁通,总阻碍圆磁通的变化,当原磁通增加时感应电流的产生的磁通与与原磁通相反, 就是说二次绕组所产生 的感应磁通与原绕组所产生的主磁通相反,所以二次绕组就出现了低等级的交变电压所以铁芯是变压器的磁路部,绕组是变压器的电路部分.
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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。
环形变压器的特点
电效率心无气隙,叠装系数可高达95% 环形变压器
以上
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。
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。
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。
环形变压器的分类
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。
3)隔离变压器产品系列容量50~1000VA,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。
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); PL——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:ΔU——电压调整率; U20——空载输出电压(V); U2——变压器额定负载时的输出电压(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。
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。PAH=PAO(UH-UL)/UH(VA)(4)
式中:PAO——自耦变压器输出功率(VA); UH——高电压绕组电压(V); UL——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.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
环形变压器的制作如全面的讲一下很难说清楚,我可以大致的说一下,首先应确定变压器的用途,如仪用的或处理信号的还是电源变压器,制作方法都不同。从铁芯材质都有区别,如有硅钢铁条缠绕形的(主要用于低、中频如电源变压器,仪用互感器或音频处理等。)、有铁氧体形的铁芯,用于高频变压器,开关电源等,其次确定功率大小来确定铁芯截面积和所使用的导线线径,确定环变洞眼大小,能放得下所有导线且制作完后外形较平整美观。在说一下硅钢片带式缠绕式变压器,断带接点一般在3··~4个,最多不超过7~8个。在绕制绕组时应制作线梭,将导线绕在线梭上,穿烁于变压器孔,最好双线或多线并绕,最后在头尾相接组成一组绕组,这样可以少穿几次。在说绕组排列,如多层绕制应第一层绕制线间第二层绕入其中,这样绕较平整。
匝数比较少的或者线径很粗的磁环电感和变压器使用人工绕制的。一般是把磁环夹在台钳上,用钩针来绕线的如果线径合适匝数比较多的那种磁环,可以用磁环绕线机来绕。那个设定比较复杂,而且没有实物也描述不清楚。
早期使用的低碳钢卷材现在已经很难见到了,随着科学技术的发展,以下三种材料相继上市,品质也依次提高。1、硅钢(铁硅系合金,硅含量一般在4.5%以下)。2、坡莫合金(铁镍系合金,镍含量在30~90%范围内)。3、非晶和纳米晶合金(铁基、铁镍基、钴基和纳米晶带材)。
环型铁芯由硅钢带缠绕而成,很象一个绕紧的钟表发条,绕好后浸渍并封装于塑料壳内,铁芯可以涂覆。
1990年,铁芯材料的最重大发明是:在低含碳量0.04%热轧低碳钢中,渗入少量的硅,形成合金,改善了热轧硅钢带的性能。新材料虽克服了磁性退化问题,但导磁率和延展性下降,冲压和成型困难。
l930年冷轧硅钢带在压延方向上的磁特性得到重大改善,晶粒取向性、硅钢带的工作磁通密度、导磁率大大提高,损耗减少。遗憾的是,这些优点只有在磁通与晶粒方向一致的条件下,才能够得到。对于叠片铁芯磁路的研究表明,大约有40%铁芯与最优方向成90°;另外40%做为磁通回路,剩余的一小部分铁芯能够充分发挥潜能状态。然而,在环型铁芯中,磁通方向总与晶粒方向一致,但当晶粒取向与磁通方向成90°时,GOSS的有效性比热轧硅钢带的性能还要差。
GOSS铁芯的平均工作磁密大约为1.6T,相应的热轧硅钢带大约为1.3T,两种材料相应的耗损为0.45W/1B和1.25W/1B,比铜损小许多。
低铁损的主要原因是,环型铁芯有一个连续不断的磁路,而叠片铁芯变压器在EI片间有气隙;因此,存在较大的气隙磁阻是叠片变压器的主要缺点。
在磁性元件中,空气间隙的滋阻远远大于铁芯的滋阻。空气间隙的磁阻不仅使叠片铁芯变压器效率降低,而且还会使气隙边缘磁密增加。一部分磁通漏到变压器周围的空间,在导线、印制板和无源元件上产生寄生电动势。为了减少气隙的影响,可采用C型铁芯。把钢带绕在芯轴上,浸渍后切成两半,磨光切开的表面,抛光并蚀刻。这样,两部分铁芯在线圈骨架内接触时,间隙很小。环型铁芯没有空气间隙,并且有反向缠绕的绕组,可进一步减小寄生磁场,电噪声可减小到叠片变压器的1/7~1/10。
环型铁芯不但磁性能优良,而且还有许多机械方面的优点:片间压力可以严格控制,并且可达到95%的同一水准。采用浸渍技术,可使铁芯成为牢固的整体,在绕线和加工过程中不变形;由于环型铁芯非常牢固,减少了磁致伸缩力的影响;因而减少了振动和音频噪声。