环形变压器及其应用

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1、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?环形变压器的铁心是用优质冷轧硅钢片（片厚一般

2、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（叠片式铁心只能取），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

3、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

4、列容量81500VA，有较小的 电压调整率、满载运行温升仅为40C，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（130C ）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501500VA，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60C，绝缘材料等级为A级（105C），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501000VA，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

5、，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 45C。?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120C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变压器的功率容量侦L.器外悖少百世fle后侵审融Pj/VA/J. rprmEM FJlArf

6、inihm /k |t泵5?250.2515S0. J53D70林ft 45钏如情45心811nis的LTI1204-J471.1160湖t. fi.mHOSb55X *1 IM$7Er?2 hH册1话舟4, H*25145835. U7网顾RSfl. SKM Ml：Oli盛IE?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。?京（va） n 1式中：Pn变压器

7、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:?-. L M式中:AU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。$ （E器山千 小际鹿顼红福to1听豳型） 15203039Son20.白HL bHO控li. 1K. 1i

8、lVit13. 713.78i t 21 1 T22571HEA少一 3号MM J4T 47. 462546 76 7W】4虬5Cl 5血m45r 55 5f5D04j yttJliIt 3 坏甲史岸辱电压训都L与蜂业玷I曲丈母临些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n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

9、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。IOOOVA?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（UhUl）/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70C。c.A 甲福 Id .IH

10、Hl I wi 12U Nfi wi-t n 曲一奉、膝邢fljh篇的温井与免我率M是晶*尚?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

11、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 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U1=220V,次级电压U2=,次级电流I2二，电压调整率AUW7%,

12、 来说明计算的方法和步骤。? 1）计算变压器次级功率P2?2）? P2=IU = X=197VA（5）计算变压器输入功率P（设变压器效率n=）与输入电流E 二舞*A4=令=黯=山蝴（7）3计算挟心概面积S5= A J1式中:K系数与变压器功率有关，K二取K二;儿空Jk器平均功率.则 H = 0. 75= 10, （ifn or Jl = I leinr?根据现有铁心规格选用铁芯尺寸为：高H=40mm，内径Dno=55mm，外径 Dwo=110mm。核算所所逃的的心的摭面而 4写虹=x40 x 10 = 11计吊物缄统蛆每伏匝裁v|ri与匝牧,Y| i（r式中：f电源频率（Hz）, f=50Hz

13、； ? B磁通密度（T） ,B二。代人得赢二不可质岩并而9匝/v,I取 Ne = 3 Bl/v . WlM = VioPi = 3220 = 6 帆5）计择次级捷知每伏匝牧V,与匝数 W阻= 77 匝八代人内5二厂二脂厅=3- K忡八期? N2=N20U2=X二匝，取 N2=38 匝。? 6）选择导线线径?绕组导线线径d按式（10）计算= 1, 13 m m I1 HI）式中：I通过导线的电流（A）；? j电流密度，j=3A/mm2。?当取j=mm2时代入式（10）得ti it）. 72则剖貌斐组城径rf =0.72 血函=。.做g &漆包线外径为（t7mm次濒线线衽/ = 72、商K Mhi

14、mil用两条d=（考虑绝缘漆最大外径为221mm）导线并绕。因为中 导线的截面积Sd2=，而d二导线的截面积为两条并联后可得截面 积为：2X=，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。二， tjt2=1mm。M，J Zii 2E 屁而 A? 1)计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径

15、Dn2?计算初级绕组每层绕的匝数n1?n1式中：D 铁心包绝缘后的内径，Dn1=Dn 2t0=55(2X=52mm；则初级绕组的层数Q1为? kp叠绕系数，kp二。? v ：甘， ?初级绕组厚度1为鬲二 N th A. - x. IL 72 x I 1 S = 3P 5rum 则初级浇知包施绶咨的肉律b为JJ.: = /J., * 2(+ h I =52 、：，L 4 + I i =43- 4hm? 2）计算次级绕组的厚度62?计算次级绕组每层绕的匝数气，考虑到次级绕组是用2Xd=2X导线并绕，则 2Mb 一2 乂 2 21 1.15 m 删次级绕卯的以数V：为V? = J =- = L4l

16、U =?次ssstta衅揽&为&= 2 x 2. 21 al 1-5.（博 mm3,衬耳烷之初次纵统狙贝乞晚撞后的内校P-.W-i匕JA； ”占IJ三【女?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，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。

17、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=，当通以额定电流2as 空m + “电年I二时，次级输出电压为U二，按式（2）计算电压调整率为聂环彩查压鼬空栽特性烈数据表交渔籍人电作f 个战电沦VmA202. 1?. JVISOL u?, h120(V 47. 3m.LUO小11, 222(113. H2-liiIK25D22.7? I12 n - U 8= p =6.49g?变压器电压调整率达到AU7%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AT*。?测量的数据及计算结果列于表53 w

18、勘11环彩变压is温升试臆敏嬲得冷RI财1 葵划if 1 Jfif（%）!）r Itfffiflirt/ttmr的部埴扪电期mitiRt州盗n叫4fr/fl垃1.U.R就S5. 275S IJ辎2M.5“.235, S(i. i)IN52 b.心徉*M. 5n. s?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Axm40，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100MQ。? 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