高频变压器的分析与设计样本.doc

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高频链中高频变压器的分析与设计
文章作者: 四川成都西南交通大学 龙海峰 郭世明 江苏南京国电南京自动化股份有限公司 呙道静
文章类型: 设计应用 文章加入时间: 9月6日14:54
文章出处: 电源技术应用

   摘要: 高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器, 大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中, 高频变压器是重要的一环。叙述了高频变压器的设计过程。实验结果证明该设计满足要求。
    关键词: 高频链; 高频变压器; 逆变器
引言
MESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念[1]。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同, 在于利用高频变压器实现了输入与输出的电气隔离, 减小了变压器的体积和重量。近年来, 高频链技术引起人们越来越多的兴趣。
1 概述
图1是传统的逆变器框图。其缺点是采用了笨重庞大的工频变压器和滤波电感, 导致效率低, 噪音大, 可靠性差。另外, 谐波含量大, 波形畸变严重, 与要求的优质正弦波相差甚远。

    图2所示为电压源高频链逆变器的框图, 该方案是当今研究的最先进方案[2], 也是本文中采用的方案。采用此方案有其一系列的优点, 诸如, 以小型的高频变压器替代工频变压器; 只有两级功率变换; 正弦波质量高; 控制灵活等。高频变压器是高频链的核心部件, 肩负着隔离和传输功率的重任, 其性能好坏直接决定逆变器的性能好坏。不合格的变压器温升高, 效率低, 漏感严重, 输出波形畸变大, 直接影响电路的稳定性和可靠性, 甚至损坏开关器件, 导致实验失败。
2 高频变压器的设计
设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料, 它有较高磁导率, 低的矫顽力, 高的电阻率。磁导率高, 在一定线圈匝数时, 经过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压, 因此, 在输出一定功率要求下, 可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低, 磁滞面积小, 则铁耗也少。高的电阻率, 则涡流小, 铁耗小。各种磁芯物理性能及价格比如表1所列。铁氧体材料是复合氧化物烧结体, 电阻率很高, 适合高频下使用, 但Bs值比较小, 常使用在开关电源中。本文采用的就是铁氧体材料。
表1 各种磁芯特性比较表
磁芯类型
非晶合金
薄硅钢片
坡莫合金
铁氧体
铁损
低
高
中
低
磁导率
高
低
高
中
饱和磁密
高
高
中
低
温度影响
中
小
小
中
加工
难
易
易
易
价格
中
低
中
低
高频变压器的设计一般采用两种方法[3]: 第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP( AP=AW×Ae, 称磁芯面积乘积) , 根据AP值, 查表找出所需磁性材料之编号; 第二种是先求出几何参数, 查表找出磁芯编号, 再进行设计。本文详细讨论如何用AP法设计高频变压器。
原边NP匝, 副边Ns匝的变压器, 在NP匝上以电压V1开关工作时, 根据法拉第定律, 有
V1=KffsNPBWAe    ( 1)
式中: Kf为波形系数, 即有效值和平均值之比, 正
弦波为4.44, 方波为4;
fs为工作频率;
BW为工作磁通密度。
NP=V1/(KffsBwAe)    (2)
铁芯窗口面积AW乘以窗口使用系数Ko( 一般取04) 为有效面积, 该面积为原边绕组NP占据的窗口面积NPAP′与副边绕组Ns占据的窗口面积NsAs′之和, 即
KoAW=NPAP′＋NsAs′    ( 3)
式中: AP′及As′分别为原、 副边绕组每匝的截面积。
每匝所占用面积与流过该匝的电流值I和电流密度J有关, 如式( 4) 所示。
AP′=I1/J
As′=I2/J    (4)
将式( 4) 代入式( 3) , 则得
KoAW=(V1/KffsBwAe)I1/J＋(V2/KffsBwAc)(I2/J)
即AWAe=(V1I1+V2I2)/(KoKffsBwJ)    (5)
电流密度J直接影响到温升, 亦影响到AWAe, 其关系可用式( 6) 表示。
J=KJ(AWAe)X    (6)
式中: KJ为电流密度系数; X为常数, 由所用磁芯确定。
若变压器的视在功率PT=V1I1＋V2I2, 则
AWAe=(PT)/(KoKffsBwJ(AWAe)x
即AP=(PT×10 4)/(KoKffsBwKJ)(1/1+X)    (7)
式中: AP单位为cm4, 其余的单位为国际单位制。
视在功率随线路结构不同而不同。如图3所示。变压器效率为η, 则在图3( a) 中
PT=Po＋Pi=Po＋Po/η=Po(1+1/η)
在图3( b) 中

在图3( c) 中

本文采用图3( b) 的结构, VDC=24V, Po=250W, 设η=0.95, 则

若采用E型磁芯, 允许温升25℃, 则有KJ=323, X=－0.14。饱和磁密约为0.35T, 考虑到高温时饱和磁密会下降, 同时, 为了防止合闸瞬间高频变压器饱和, 取饱和磁密的1/3为变压器的工作磁密, 即BW=0.117T。工作频率为20kHz, 由式( 7)
可得

取10％的裕度, 即AP=6.65×( 1＋10％) ≈7.28cm4, 查手册选取E17铁氧体磁芯, 其AW=2.56cm2, Ae=3.80cm2, AP=9.73cm4, 满足要求。
确定磁芯材料后, 则其它参数计算如下:
1) 原边绕组匝数NP
NP=(V1)/(KffsBwAe)≈7匝;
2) 原边电流IP
IP=(Po)/(VDCη)≈10.96A;
3) 电流密度JJ=KJ(AWAe)x=234.9A/cm2;
4) 原边绕组裸线面积AXP
AXP=Ip/J≈0.04666cm2;
5)副边绕组匝数Ns逆变器工作时占空比D=0.75, 幅值为根号2 220V, 则
Ns=(NpV2)/DV1=120.99≈121匝
6) 副边绕组裸线面积AXS注意中间抽头变压器Io须乘0.707的校正系数, 则
AXS=(Io×0.707)/J=(Po×0.707)/(Vo×J)=(250×0.707)/(220×234.9)
=0.00342cm2。
3 实验结果
实验采用图3( b) 的结构, 参数如下:
输入电压DC24V;
开关频率20kHz;
占空比D=0.75;
输出电压AC220V;
输出功率250W;
输出频率50Hz;
变压器磁芯E17铁氧体磁芯;
原边绕组匝数7匝;
副边绕组匝数121匝。
该高频链工作稳定可靠, 噪声很小, 实验结果证明该高频变压器满足实际要求。
4 结语
1) 设计中, 在最大输出功率时, 磁芯中的磁感应强度不应达到饱和, 以免在大信号时产生失真。
2) 在瞬变过程中, 高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡, 使损耗增加, 严重时会造成开关管损坏。同时, 输出绕组匝数多, 层数多时, 应考虑分布电容的影响, 降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器同时减少分布电容和漏感是困难的, 应根据不同的工作要求, 保证合适的电容和电感。
3) 本文采用的工作频率为20kHz, 由于工作频率较高, 趋肤效应影响比较大, 因此, 在设计时应注意趋肤效应引起的有效面积的减少。

变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都经过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感。

变压器的基本知识
变压器几乎在所有的电子产品中都要用到, 它原理简单但根据不同的使用场合( 不同的用途) 变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有: 电压变换; 阻抗变换; 隔离; 稳压( 磁饱和变压器) 等, 变压器常见的铁心形状一般有E型和C型铁心。
一、 变压器的基本原理
图1是变压器的原理简体图, 当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时, 导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1, 它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2, 同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1, E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近, 从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗, 而且变压器本身也有一定的损耗, 尽管此时次级没接负载, 初级线圈中仍有一定的电流, 这个电流我们称为”空载电流”。
如果次级接上负载, 次级线圈就产生电流I2, 并因此而产生磁通ф2, ф2的方向与ф1相反, 起了互相抵消的作用, 使铁心中总的磁通量有所减少, 从而使初级自感电压E1减少, 其结果使I1增大, 可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加, ф1也增加, 而且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通, 以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗, 能够认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要经过改变次级线圈的圈数而改变次级电压, 可是不能改变允许负载消耗的功率。
二、 变压器的损耗
当变压器的初级绕组通电后, 线圈所产生的磁通在铁心流动, 因为铁心本身也是导体, 在垂直于磁力线的平面上就会感应电势, 这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流, 好象一个旋涡因此称为”涡流”。这个”涡流”使变压器的损耗增加, 而且使变压器的铁心发热变压器的温升增加。由”涡流”所产生的损耗我们称为”铁损”。另外要绕制变压器需要用大量的铜线, 这些铜导线存在着电阻, 电流流过时这电阻会消耗一定的功率, 这部分损耗往往变成热量而消耗, 我们称这种损耗为”铜损”。因此变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。
由于变压器存在着铁损与铜损, 因此它的输出功率永远小于输入功率, 为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述, η=输出功率/输入功率。
三、 变压器的材料
要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识, 为此这里我就介绍一下这方面的知识。
1、 铁心材料:
变压器使用的铁心材料主要有铁片、 低硅片, 高硅片, 的钢片中加入硅能降低钢片的导电性, 增加电阻率, 它可减少涡流, 使其损耗减少。我们一般称为加了硅的钢片为硅钢片, 变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系, 硅钢片的质量一般见磁通密度B来表示, 一般黑铁片的B值为6000-8000、 低硅片为9000-11000, 高硅片为1 -16000,
2、 绕制变压器一般见的材料有
漆包线, 沙包线, 丝包线, 最常见的漆包线。对于导线的要求, 是导电性能好, 绝缘漆层有足够耐热性能, 而且要有一定的耐腐蚀能力。一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。
3、 绝缘材料
在绕制变压器中, 线圈框架层间的隔离、 绕阻间的隔离, 均要使用绝缘材料, 一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作, 层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离, 绕阻间可用黄腊布作隔离。
4、 浸渍材料:
变压器绕制好后, 还要过最后一道工序, 就是浸渍绝缘漆, 它能增强变压器的机械强度、 提高绝缘性能、 延长使用寿命, 一般情况下, 可采用甲酚清漆作为浸渍材料。

电工学名词解释
要学好电工技术必须要对在电工学上的一些物理量的概念有所理解, 为此本人将一些常见的电工学名词汇总并作注解:
1、 电阻率---又叫电阻系数或叫比电阻。是衡量物质导电性能好坏的一个物理量, 以字母ρ表示, 单位为欧姆*毫米平方/米。在数值 上等于用那种物质做的长1米截面积为1平方毫米的导线, 在温度20C时的电阻值, 电阻率越大, 导电性能越低。则物质的电阻率随温度而变化的物理量, 其数值等于温度每升高1C时, 电阻率的增加与原来的电阻电阻率的比值, 一般以字母α表示, 单位为1/C。

2、 电阻的温度系数----表示物质的电阻率随温度而变化的物理量, 其数值等于温度每升高1C时, 电阻率的增加量与原来的电阻率的比值, 一般以字母α表示, 单位为1/C。

3、 电导----物体传导电流的本事叫做电导。在直流电路里, 电导的数值就是电阻值的倒数, 以字母ɡ表示, 单位为欧姆。

4、 电导率----又叫电导系数, 也是衡量物质导电性能好坏的一个物理量。大小在数值上是电阻率的倒数, 以字母γ表示, 单位为米/欧姆*毫米平方。

5、 电动势----电路中因其它形式的能量转换为电能所引起的电位差, 叫做电动势或者简称电势。用字母E表示, 单位为伏特。

6、 自感----当闭合回路中的电流发生变化时, 则由这电流所产生的穿过回路本身磁通也发生变化, 因此在回路中也将感应电动势, 这现象称为自感现象, 这种感应电动势叫自感电动势。

7、 互感----如果有两只线圈互相*近, 则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链。当第一线圈中电流发生变化时, 则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化, 在第二只线圈中产生感应电动势。这种现象叫做互感现象。

8、 电感----自感与互感的统称。

9、 感抗----交流电流过具有电感的电路时, 电感有阻碍交流电流过的作用, 这种作用叫做感抗, 以Lx表示, Lx=2πfL.

10、 容抗----交流电流过具有电容的电路时, 电容有阻碍交流电流过的作用, 这种作用叫做容抗, 以Cx表示, Cx=1/12πfc。

11、 脉动电流----大小随时间变化而方向不变的电流, 叫做脉动电流。

12、 振幅----交变电流在一个周期内出现的最大值叫振幅。

13、 平均值----交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值。正弦量的平均值一般指正半周内的平均值, 它与振幅值的关系: 平均值=0.637*振幅值。

14、 有效值----在两个相同的电阻器件中, 分别经过直流电和交流电, 如果经过同一时间, 它们发出的热量相等, 那么就把此直流电的大小作为此交流电的有效值。正弦电流的有效值等于其最大值的0.707倍。

15、 有功功率----又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值, 功率在一个周期内的平均值叫做有功功率, 它是指在电路中电阻部分所消耗的功率, 以字母P表示, 单位瓦特。

16、 视在功率----在具有电阻和电抗的电路内, 电压与电流的乘积叫做视在功率, 用字母Ps来表示, 单位为瓦特。

17、 无功功率----在具有电感和电容的电路里, 这些储能元件在半周期的时间里把电源能量变成磁场( 或电场) 的能量存起来, 在另半周期的时间里对已存的磁场( 或电场) 能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换, 并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的速率的振幅值叫做无功功率。用字母Q表示, 单位为芝。

18、 功率因数----在直流电路里, 电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里, 电压乘电流是视在功率, 而能起到作功的一部分功率( 即有功功率) 将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数, 以COSφ表示。

19、 相电压----三相输电线( 火线) 与中性线间的电压叫相电压。

20、 线电压----三相输电线各线( 火线) 间的电压叫线电压, 线电压的大小为相电压的1.73倍。

21、 相量----在电工学中, 用以表示正弦量大小和相位的矢量叫相量, 也叫做向量。

22、 磁通----磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫做磁通, 以字母φ表示, 单位为麦克斯韦。

23、 磁通密度----单位面积上所经过的磁通大小叫磁通密度, 以字母B表示, 磁通密度和磁场感应强度在数值上是相等的。

24、 磁阻----与电阻的含义相仿, 磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用, 以符号Rm表示, 单位为1/亨。

25、 导磁率----又称导磁系数, 是衡量物质的导磁性能的一个系数, 以字母μ表示, 单位是亨/米。

26、 磁滞----铁磁体在重复磁化的过程中, 它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度, 这种现象叫磁滞。

27、 磁滞回线----在磁场中, 铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示, 当磁化磁场作周期的变化时, 铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线, 这条闭合线叫做磁滞回线如图1。

28、 基本磁化曲线----铁磁体的磁滞回线的形状是与磁感应强度( 或磁场强度) 的最大值有关, 在画磁滞回线时, 如果对磁感应强度( 或磁场强度) 最大值取不同的数值, 就得到一系列的磁滞回线, 连接这些回线顶点的曲线叫基本磁化曲线。

29、 磁滞损耗----放在交变磁场中的铁磁体, 因磁滞现象而产生一些功率损耗, 从而使铁磁体发热, 这种损耗叫磁滞损耗。

30、 击穿---绝缘物质在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象叫击穿。

31、 介电常数---又叫介质常数, 介电系数或电容率, 它是表示绝缘能力特性的一个系数, 以字母ε表示, 单位为法/米。

32、 电磁感应---当环链着某一导体的磁通发生变化时, 导体内就出现电动势, 这种现象叫电磁感应。

33、 趋肤效应---又叫集肤效应, 当高频电流经过导体时, 电流将集中在导体表面流通, 这种现象叫趋肤效应。

变压器的概念及分类
变压器是变换交流电压、 电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,使次级线圈中感应出电压(或电流).变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈.
按冷却方式分类:干式(自冷)变压器、 油浸(自冷)变压器、 氟化物(蒸发冷却)变压器.
按防潮方式分类:开放式变压器、 灌封式变压器、 密封式变压器.
按铁芯或线圈结构分类:芯式变压器(插片铁芯、 C型铁芯、 铁氧体铁芯)、 壳式变压器(插片铁芯、 C型铁芯、 铁氧体铁芯)、 环型变压器、 金属箔变压器.
按电源相数分类:单相变压器、 三相变压器、 多相变压器.
按用途分类:电源变压器、 调压变压器、 音频变压器、 中频变压器、 高频变压器、 脉冲变压器.

变压器常见生产问题(非设计问题)
1) 由于绕线过于饱满造成胶心变形,插片后铁心E片与I片之间有较大气隙,引起空载电流大,将绕好线的胶心整形后问题得到解决.
2)EI-76铁心片规定空载电流不大与57ma实际达到67ma:实际产生原因是铁心片插得过紧,使铁心产生应力,将铁芯片取出一片空载电流即达到54ma.
3)空载电流大,换了几款铁心片均不合格,此款变压器空载电流要求较高,换一款高一级性能的铁心片,问题得到解决.
4)空载电流比原来小,而温升超差:采用H50材料空载电流小而铁损大,批料人注意了空载电流而忽略了铁损,改用H23材料,但要注意空载电流是否满足见要求.
5)EI-66铁心变压器,设计磁通密度为1.3T,测空载电流为135ma,且有嗡嗡叫声:发现该铁心片为弹簧片、 需更换铁心片.
6)摇片困难,且铁心片表面有划伤:发现铁心片表面有杂质,分析研究为热处理时,放置铁芯片的炉架焊接时,焊渣没有处理乾净,高温后焊渣崩裂形成碎末,混入铁心片行成摇片困难
7)变压器含浸前,端面无锈迹,含浸后,端面发现锈迹;主要是手汗引起,含浸前如不进行驱水份处理易发生此现象,由于含浸漆层很薄,有针孔,含浸后放置一段时间,产生了锈痕.操作时夏天带手套可避免此现象.
8)变压器含浸后,空载电流增加很多:主要是采用环氧类浸渍漆,这类漆含浸后收缩应力较大.改变漆的粘度,或改用其它漆.
9)验收时铁心片电气性能合格,生产时空载电流偏大:验收时用的是塑料或橡胶榔头,生产时用的是铁榔头,捶击过重引起空载电流过大.
10)测试时变压器发生嗡嗡叫声:这是由于铁心片E片与I片厚薄不一致引起,解决措施是换片或增加含浸工序.特别要注意不同批次的E片与I片要测量厚薄后才能投入生产.
11)铁心片要求板型形多少?将铁心片放在平板上,用厚薄规去测量要求板形小于0.25mm

查找变压器耐压不合格的原因---排除法
某客户投诉,有一批电子变压器耐压不合格,怀疑是漆包线的针孔超标所致,与我司提供的3UEW 0.10mm产品有关,希望我们在两日内到现场处理.
在第一时间,我们到达了某电子公司品管部.肖先生接待了我们.据她介绍,这次有万余变压器耐压不合格,排查了很多原因,最后怀疑漆包线针孔超标.漆包线是我司产品,因此请我们共同排查原因.因为平时客户对我司的漆包线在使用前和使用中的针孔检测基本上都是0或1个针孔,可是,”此次发现的针孔较多,有六、 七个,比较吓人,可能是导致变压器耐压不合格的原因”.她拿出二轴基本已用完的、 尚剩二层底线的我公司漆包线产品(上面贴有NG红色不合格标签),于是双方共同对这轴漆包线作了针孔试验,四次的试验结果分别是4、 6、 3、 7个针孔,属于合格范围.对于这个结果,我对她进行了解释:漆包线在生产过程中,经常需要换盘.在换盘过程中,漆包线与线轴底部有一定的轻微摩擦,底盘线有时由此产生少量的针孔,是正常的.
国家标准和日本标准的针孔数是12个及以下,在此范围内都是安全的,我们没有理由去怀疑作为一个国家标准的安全性和严谨性.尽管各企业都有自己的原材料检验内控标准(据我了解,各电子变压器厂的针孔验收标准有8、 7、 6个不等),其目的也只是为了提高产品的质量保险系数.因此,基本上能够排除针孔原因引起的变压器耐压不合格,必须扩大分析范围.
我请肖先生拿来了几个耐压不合格的变压器,小心拆开,取出骨架,再绕出一段漆包线,测得外径为0.107mm,铜径为0.096mm.然后在线轴上测得漆包线的外径为0.113mm、 0.112mm、 铜径为0.10、 0.10mm.
这就证明,在绕线过程中绕线机的张力没有调整好,导致漆包线整体被严重拉小,漆膜在外力作用下变形且附着力降低,影响到绝缘遭受破坏,是变压器耐压不合格的主要原因.同时,由于铜径被拉小,导致电阻变大且不合格,当变压器外接负载时,线圈发热,并产生恶性循环,最终变压器烧毁.
变压器耐压不合格,原因是多元化的.作为变压器生产厂,首先考虑的是绝缘是否存在问题,在制程中是否破坏了漆膜(如装矽钢片时)然后考虑供应商的漆包线是否合格,而忽视了漆包线拉伸后绝缘遭受的破坏.漆包线生产厂为了查找自己产品的质量问题,其思维方式比较单一,反而能够发现变压器厂忽视的问题.
盐水针孔试验法最早见于日本标准JIS  C  3003—1976《漆包铜线及漆包铝线试验方法》,分为加热处理法和无处理法两种.由于其方法具有简单,快捷,测试结果清晰、 明了,更由于测试成本低等优点,因此盐水针孔试验法的无处理法在电子行业很快流行起来,能够说无厂不做针孔.正是考虑到用户的这种情况,国家标准GB 6109.4-88《直焊性聚氨酯漆圆铜线》收入了盐水针孔试验法的加热处理法,近年,国际电工委员会IEC标准、 欧盟都将盐水针孔试验法纳入了试验范围,由此可见,盐水针孔试验法的重要性.可是,在判断产品质量问题时,要正确依据标准,否则,一旦进入误区,就会延误战机,造成更大的损失.

变压器的基本专业知识(YC)
变压器几乎在所有的电子产品中都要用到,它原理简单但根据不同的使用场合(不同的用途)变压器的绕制工艺会有所不同的要求.变压器的功能主要有:电压变换;阻抗变换;隔离;稳压(磁饱和变压器)等,变压器常见的铁心形状一般有E型和C型铁心.
一、 变压器的基本原理
图1是变压器的原理简体图,当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时,导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1,它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路.在次级线圈中感应出互感电势U2,同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1,E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近,从而限制了I1的大小.为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗,而且变压器本身也有一定的损耗,尽管此时次级没接负载,初级线圈中仍有一定的电流,这个电流我们称为”空载电流”.
如果次级接上负载,次级线圈就产生电流I2,并因此而产生磁通ф2,ф2的方向与ф1相反,起了互相抵消的作用,使铁心中总的磁通量有所减少,从而使初级自感电压E1减少,其结果使I1增大,可见初级电流与次级负载有密切关系.当次级负载电流加大时I1增加,ф1也增加,而且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通,以保持铁心里总磁通量不变.如果不考虑变压器的损耗,能够认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率.变压器能根据需要经过改变次级线圈的圈
而改变次级电压,可是不能改变允许负载消耗的功率.二、 变压器的损耗
当变压器的初级绕组通电后,线圈所产生的磁通在铁心流动,因为铁心本身也是导体,在垂直于磁力线的平面上就会感应电势,这个电势在铁心的断面上形成闭合回路并产生电流,好象一个旋涡因此称为”涡流”.这个”涡流”使变压器的损耗增加,而且使变压器的铁心发热变压器的温升增加.由”涡流”所产生的损耗我们称为”铁损”.另外要绕制变压器需要用大量的铜线,这些铜导线存在着电阻,电流流过时这电阻会消耗一定的功率,这部分损耗往往变成热量而消耗,我们称这种损耗为”铜损”.因此变压器的温升主要由铁损和铜损产生的.
由于变压器存在着铁损与铜损,因此它的输出功率永远小于输入功率,为此我们引入了一个效率的参数来对此进行描述,η=输出功率/输入功率.
三、 变压器的材料
要绕制一个变压器我们必须对与变压器有关的材料要有一定的认识,为此这里我就介绍一下这方面的知识.
1、 铁心材料:
变压器使用的铁心材料主要有铁片、 低硅片,高硅片,的钢片中加入硅能降低钢片的导电性,增加电阻率,它可减少涡流,使其损耗减少.我们一般称为加了硅的钢片为硅钢片,变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系,硅钢片的质量一般见磁通密度B来表示,一般黑铁片的B值为6000-8000、 低硅片为9000-11000,高硅片为1 -16000,
2、 绕制变压器一般见的材料有
漆包线,沙包线,丝包线,最常见的漆包线.对于导线的要求,是导电性能好,绝缘漆层有足够耐热性能,而且要有一定的耐腐蚀能力.一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线.
3、 绝缘材料
在绕制变压器中,线圈框架层间的隔离、 绕阻间的隔离,均要使用绝缘材料,一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作,层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离,绕阻间可用黄腊布作隔离.
4、 浸渍材料:
变压器绕制好后,还要过最后一道工序,就是浸渍绝缘漆,它能增强变压器的机械强度、 提高绝缘性能、 延长使用寿命,一般情况下,可采用甲酚清漆作为浸渍材料.
电工学名词解释要学好电工技术必须要对在电工学上的一些物理量的概念有所理解,为此本人将一些常见的电工学名词汇总并作注解:
1、 电阻率---又叫电阻系数或叫比电阻.是衡量物质导电性能好坏的一个物理量,以字母ρ表示,单位为欧姆*毫米平方/米.在数值 上等于用那种物质做的长1米截面积为1平方毫米的导线,在温度20C时的电阻值,电阻率越大,导电性能越低.则物质的电阻率随温度而变化的物理量,其数值等于温度每升高1C时,电阻率的增加与原来的电阻电阻率的比值,一般以字母α表示,单位为1/C.
2、 电阻的温度系数----表示物质的电阻率随温度而变化的物理量,其数值等于温度每升高1C时,电阻率的增加量与原来的电阻率的比值,一般以字母α表示,单位为1/C.
3、 电导----物体传导电流的本事叫做电导.在直流电路里,电导的数值就是电阻值的倒数,以字母ɡ表示,单位为欧姆.
4、 电导率----又叫电导系数,也是衡量物质导电性能好坏的一个物理量.大小在数值上是电阻率的倒数,以字母γ表示,单位为米/欧姆*毫米平方.
5、 电动势----电路中因其它形式的能量转换为电能所引起的电位差,叫做电动势或者简称电势.用字母E表示,单位为伏特.
6、 自感----当闭合回路中的电流发生变化时,则由这电流所产生的穿过回路本身磁通也发生变化,因此在回路中也将感应电动势,这现象称为自感现象,这种感应电动势叫自感电动势.
7、 互感----如果有两只线圈互相*近,则其中第一只线圈中电流所产生的磁通有一部分与第二只线圈相环链.当第一线圈中电流发生变化时,则其与第二只线圈环链的磁通也发生变化,在第二只线圈中产生感应电动势.这种现象叫做互感现象.
8、 电感----自感与互感的统称.
9、 感抗----交流电流过具有电感的电路时,电感有阻碍交流电流过的作用,这种作用叫做感抗,以Lx表示,Lx=2πfL
10、 容抗----交流电流过具有电容的电路时,电容有阻碍交流电流过的作用,这种作用叫做容抗,以Cx表示,Cx=1/12πfc.
11、 脉动电流----大小随时间变化而方向不变的电流,叫做脉动电流.
12、 振幅----交变电流在一个周期内出现的最大值叫振幅.
13、 平均值----交变电流的平均值是指在某段时间内流过电路的总电荷与该段时间的比值.正弦量的平均值一般指正半周内的平均值,它与振幅值的关系:平均值=0.637*振幅值.
14、 有效值----在两个相同的电阻器件中,分别经过直流电和交流电,如果经过同一时间,它们发出的热量相等,那么就把此直流电的大小作为此交流电的有效值.正弦电流的有效值等于其最大值的0.707倍.
15、 有功功率----又叫平均功率.交流电的瞬时功率不是一个恒定值,功率在一个周期内的平均值叫做有功功率,它是指在电路中电阻部分所消耗的功率,以字母P表示,单位瓦特.
16、 视在功率----在具有电阻和电抗的电路内,电压与电流的乘积叫做视在功率,用字母Ps来表示,单位为瓦特.
17、 无功功率----在具有电感和电容的电路里,这些储能元件在半周期的时间里把电源能量变成磁场(或电场)的能量存起来,在另半周期的时间里对已存的磁场(或电场)能量送还给电源.它们只是与电源进行能量交换,并没有真正消耗能量.我们把与电源交换能量的速率的振幅值叫做无功功率.用字母Q表示,单位为芝.
18、 功率因数----在直流电路里,电压乘电流就是有功功率.但在交流电路里,电压乘电流是视在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率)将小于视在功率.有功功率与视在功率之比叫做功率因数,以COSφ表示.
19、 相电压----三相输电线(火线)与中性线间的电压叫相电压.
20、 线电压----三相输电线各线(火线)间的电压叫线电压,线电压的大小为相电压的1.73倍.
21、 相量----在电工学中,用以表示正弦量大小和相位的矢量叫相量,也叫做向量.
22、 磁通----磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫做磁通,以字母φ表示,单位为麦克斯韦.
23、 磁通密度----单位面积上所经过的磁通大小叫磁通密度,以字母B表示,磁通密度和磁场感应强度在数值上是相等的.
24、 磁阻----与电阻的含义相仿,磁阻是表示磁路对磁通所起的阻碍作用,以符号Rm表示,单位为1/亨.
25、 导磁率----又称导磁系数,是衡量物质的导磁性能的一个系数,以字母μ表示,单位是亨/米.
26、 磁滞----铁磁体在重复磁化的过程中,它的磁感应强度的变化总是滞后于它的磁场强度,这种现象叫磁滞.
27、 磁滞回线----在磁场中,铁磁体的磁感应强度与磁场强度的关系可用曲线来表示,当磁化磁场作周期的变化时,铁磁体中的磁感应强度与磁场强度的关系是一条闭合线,这条闭合线叫做磁滞回线如图1.
28、 基本磁化曲线----铁磁体的磁滞回线的形状是与磁感应强度(或磁场强度)的最大值有关,在画磁滞回线时,如果对磁感应强度(或磁场强度)最大值取不同的数值,就得到一系列的磁滞回线,连接这些回线顶点的曲线叫基本磁化曲线.
29、 磁滞损耗----放在交变磁场中的铁磁体,因磁滞现象而产生一些功率损耗,从而使铁磁体发热,这种损耗叫磁滞损耗.
30、 击穿---绝缘物质在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象叫击穿.
31、 介电常数---又叫介质常数,介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示,单位为法/米.
32、 电磁感应---当环链着某一导体的磁通发生变化时,导体内就出现电动势,这种现象叫电磁感应.
33、 趋肤效应---又叫集肤效应,当高频电流经过导体时,电流将集中在导体表面流通,这种现象叫趋肤效应.