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变压器的基本知识

类别：电子综合   阅读：1698

     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，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。
     一、变压器的基本原理
     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，并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，并且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，可以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。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但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，好象一个旋涡所以称为“涡流”。这个“涡流”使变压器的损耗增加，并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”。所以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，所以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。我们通常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，硅钢片的质量通常用磁通密度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12000-16000，
     2、绕制变压器通常用的材料有
     漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并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，为此本人将一些常用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，通常以字母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，通常以字母α表示，单位为1/C。3、电导----物体传导电流的本领叫做电导。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----电路中因其他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靠近，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。正弦量的平均值通常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，分别通过直流电和交流电，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----单位面积上所通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----铁磁体在反复磁化的过程中，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，当高频电流通过导体时，电流将集中在导体表面流通，这种现象叫趋肤效应。
工程设计中，电气工程师干式变压器选型时要注意以下几点：
　　一、干式变压器温度控制系统
　　干式变压器安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘安全可靠。绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作主要原因之一，对变压器运行温度监测及其报警控制是十分重要。
　　(1)风机自动控制：预埋低压绕组最热处Pt100热敏测温电阻测取温度信号。变压器负荷增大，运行温度上升，当绕组温度达110℃时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度低至90℃时，系统自动停止风机。
　　(2)超温报警、跳闸：预埋低压绕组中PTC非线性热敏测温电阻采集绕组或铁心温度信号。当变压器绕组温度继续升高，若达到155℃时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达170℃，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅速跳闸。
　　(3)温度显示系统：预埋低压绕组中Pt100热敏电阻测取温度变化值，直接显示各相绕组温度(三相巡检及最大值显示，并可记录历史最高温度)，可将最高温度以4～20mA模拟量输出，若需传输至远方(距离可达1200m)计算机，可加配计算机接口，1只变送器，最多可同时监测31台变压器。系统超温报警、跳闸也可由Pt100热敏传感电阻信号动作，进一步提高温控保护系统可靠性。
　　二、干式变压器防护方式
　　使用环境特征及防护要求，干式变压器可选择不同外壳。
　　通常选用IP20防护外壳，可防止直径大于12mm固体异物及鼠、蛇、猫、雀等小动物进入，造成短路停电等恶性故障，为带电部分提供安全屏障。若须将变压器安装户外，则可选用IP23防护外壳，除上述IP20防护功能外，更可防止与垂直线成60°角以内水滴入。但IP23外壳会使变压器冷却能力下降，选用时要注意其运行容量降低。
　　三、干式变压器冷却方式
　　干式变压器冷却方式分为自然空气冷却(AN)和强迫空气冷却(AF)。自然空冷时，变压器可额定容量下长期连续运行。强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。
　　四、干式变压器过载能力
　　干式变压器过载能力与环境温度、过载前负载情况(起始负载)、变压器绝缘散热情况和发热时间常数等有关，若有需要，可向生产厂索取干变过负荷曲线。
　　如何利用其过载能力呢?笔者提出两点供参考：
　　(1)选择计算变压器容量时可适当减小：充分考虑某些轧钢、焊接等设备短时冲击过负荷可能性－－尽量利用干式变压器较强过载能力而减小变压器容量；对某些不均匀负荷场所，如供夜间照明等为主居民区、文化娱乐设施以及空调和白天照明为主商场等，可充分利用其过载能力，适当减小变压器容量，使其主运行时间处于满载或短时过载。
　　(2)可减少备用容量或台数：某些场所，对变压器备用系数要求较高，使工程选配变压器容量大、台数多。而利用干变过载能力，考虑其备用容量时可予以压缩；确定备用台数时亦可减少。变压器处于过载运行时，一定要注意监测其运行温度：若温度上升达155℃(有报警发出)即应采取减载措施(减去某些次要负荷)，以确保对主要负荷安全供电。
　　五、干式变压器低压出线方式及其接口配合
　　干式变压器因没有油，也就没有火灾、爆炸、污染等问题，故电气规范、规程等均不要求干式变压器置于单独房间内。损耗和噪声降到了新水平，更为变压器与低压屏置于同一配电室内创造了条件。
　　目前，我国树脂绝缘干式变压器年产量已达10000MVA，成为世界上干式变压器产销量最大国家之一。低噪(2500kVA以下配电变压器噪声已控制50dB以内)、节能(空载损耗降低达25%)SC(B)9系列推广应用，使我国干式变压器性能指标及其制造技术已达到世界先进水平。
　　国家建筑标准设计图集《干式变压器安装》-《99D268》。
　　图集提供了适用于各种场所干式变压器布置、安装方式，针对变压器与低压PC屏接口配合列出了多种方案供设计、施工选择。
　　干式变压器推广应用，其生产制造技术也获长足发展，干式变压器将如下几方面获进一步发展。
　　(1)节能低噪：新低耗硅钢片，箔式绕组结构，阶梯铁心接缝，环境保护要求，噪声研究深入，以及计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术引入，将使未来干式变压器更加节能、更加宁静。
　　(2)高可靠性：提高产品质量和可靠性，将是人们不懈追求。电磁场计算、波过程、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系及可靠性工程等方面进行大量基础研究，积极进行可靠性认证，进一步提高干式变压器可靠性和使用寿命。
　　(3)环保特性认证：以欧洲标准HD464为基础，开展干式变压器耐气候(C0、C1、C2)、耐环境(E0、E1、E2)及耐火(F0、F1、F2)特性研究与认证。
　　(4)大容量：从50～2500kVA配电变压器为主干式变压器，向10000～20000kVA/35kV电力变压器拓展，城市用电负荷不断增加，城网区域变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量小区中心供电电力变压器将获广泛应用。
　　(5)多功能组合：从单一变压器向带有风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功率计量、封闭母线及侧出线等多功能组合式变压器发展。
　　(6)多领域发展：从以配电变压器为主，向发电站厂用变压器、励磁变压器、铁牵引整流变压器、大电流电炉变压器、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领域发展。
　　配电变压器将属于性能优越、低噪声及节能树脂绝缘干式变压器。
（2）可减少备用容量或台数：在某些场所，对变压器的备用系数要求较高，使得工程选配的变压器容量大、台数多。而利用干变的过载能力，在考虑其备用容量时可予以压缩；在确定备用台数时亦可减少。变压器处于过载运行时，一定要注意监测其运行温度：若温度上升达155℃（有报警发出）即应采取减载措施（减去某些次要负荷），以确保对主要负荷的安全供电。

　　五、干式变压器低压出线方式及其接口配合

　　干式变压器因没有油，也就没有火灾、爆炸、污染等问题，故电气规范、规程等均不要求干式变压器置于单独房间内。损耗和噪声降到了新的水平，更为变压器与低压屏置于同一配电室内创造了条件。

　　目前，我国树脂绝缘干式变压器年产量已达10000MVA，成为世界上干式变压器产销量最大的国家之一。随着低噪（2500kVA以下配电变压器噪声已控制在50dB以内）、节能（空载损耗降低达25%）的SC（B）9系列的推广应用，使得我国干式变压器的性能指标及其制造技术已达到世界先进水平。

　　国家建筑标准设计图集《干式变压器安装》-《99D268》。

　　图集提供了适用于各种场所的干式变压器布置、安装方式，针对变压器与低压PC屏的接口配合列出了多种方案供设计、施工选择。

　　随着干式变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，干式变压器将在如下几方面获得进一步发展。

　　（1）节能低噪：随着新的低耗硅钢片，箔式绕组结构，阶梯铁心接缝，环境保护要求，噪声研究的深入，以及计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入，将使未来的干式变压器更加节能、更加宁静。

　　（2）高可靠性：提高产品质量和可靠性，将是人们的不懈追求。在电磁场计算、波过程、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系及可靠性工程等方面进行大量的基础研究，积极进行可靠性认证，进一步提高干式变压器的可靠性和使用寿命。

　　（3）环保特性认证：以欧洲标准HD464为基础，开展干式变压器的耐气候（C0、C1、C2）、耐环境（E0、E1、E2）及耐火（F0、F1、F2）特性的研究与认证。

　　（4）大容量：从50～2500kVA配电变压器为主的干式变压器，向10000～20000kVA/35kV电力变压器拓展，随着城市用电负荷不断增加，城网区域变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量的小区中心供电电力变压器将获广泛应用。

　　（5）多功能组合：从单一变压器向带有风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功率计量、封闭母线及侧出线等多功能组合式变压器发展。

　　（6）多领域发展：从以配电变压器为主，向发电站厂用变压器、励磁变压器、地铁牵引整流变压器、大电流电炉变压器、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领域发展。

　　配电变压器将属于性能优越、低噪声及节能的树脂绝缘干式变压器。
总的负荷为1950Kvar,看书上说 变压器一般要小于1250Kvar,但是如果选2台变压器，这样的话 1250*02*0.7=1750Kvar小于总负荷，
请问下 那位大侠，是我的计算方法错误 还是怎么的
请提供下正确的选择方法 学习中~~~~
是谁说变压器要小于1250kVA的？ 大容量的多的是。 1250算是小的了。
通常不能让变压器满负荷工作，这样会缩短其寿命。60-70%差不多。
1950的负荷？ 如果选用树脂浇注的，基本上你要选择3000-3500kVA的变压器。
如果选咋Nomex(R) 敞开式通风变压器的话，基本上2500就够了. 当然还要取决于你未来一段时间内会不会有新的负载加入。
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但我觉得此表值得商量.我认为选用什么形状磁芯应由应用环境决定.下面是我整理的一些比较:
POT CORE:
优点:磁性材料环绕四周,提供很好的辐射磁屏蔽.适用EMI要求严格的应用.
缺点:狭窄的引出孔,不适合高电压电流应用.由于引线圈和磁芯靠得近,易打火.不易散热.价高.
EE CORE:
分两类:圆中心柱(EC,ETD)和方中心柱(EE),圆中心柱有小的平均匝长,相同圈数可得到更小的DCR,温升更低.
优点:型号多,选择范围广.线包大部分在空气中,易散热.价低.
缺点:磁屏蔽不好.
RM CORE:
POT 和EE的中和品.对POT CORE有较大引出孔和散热空间.介于两者之间的磁屏蔽.价高.
PQ CORE:
优化的散热面积和绕线区域与体积的比.同样功率时有最小的体积.价高.
LOW PROFILE(LP)
如EFD,长的中心柱可减少线圈的层数,减少漏感.
UU CORE:
用于高电压功率应用.漏磁空间大.
高频变压器磁芯的选择:
依照个人在工作的经验总结了以下5点供大家参考.
1、根据功率选择磁芯大小;
2、结合整机板的布局选择磁芯形状;
3、根据环境因素、开关频率选择磁芯材质;
4、根据变压器加工工艺的要求;
5、根据磁芯采购的可行性.
电子变压器在电源技术中的作用,电源技术对电子变压器的要求,电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电源技术发展的影响.

电子变压器的使用条件,包括两方面内容:可靠性和电磁兼容性.以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性.

可靠性是指在具体的使用条件下,电子变压器能正常工作到使用寿命为止.一般使用条件中对电子变压器影响最大的是环境温度.决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点.软磁材料居里点高,受温度影响小;软磁材料居里点低,对温度变化比较敏感,受温度影响大.例如锰锌铁氧体的居里点只有215℃,比较低,磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化,除正常温度25℃而外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参数数据.因此,锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升必须低于60℃.钴基非晶合金的居里点为205℃,也低,使用温度也限制在100℃以下.铁基非晶合金的居里点为370℃,可以在150℃~180℃以下使用.高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用.微晶纳米晶合金的居里点为600℃,取向硅钢居里点为730℃,可以在300℃~400℃下使用.

电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰.电磁干扰包括可听见的音频噪声和听不见的高频噪声.电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩.磁致伸缩系数大的软磁材料,产生的电磁干扰大.铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大(27~30)×10-6,必须采取减少噪声抑制干扰的措施.高磁导Ni50坡莫合金的磁致伸缩系数为25×10-6,锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6.以上这3种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料,在应用中要注意.3%取向硅钢的磁致伸缩系数为(1~3)×10-6,微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为(0.5~2)×10-6.这2种软磁材料属于比较容易产生电磁干扰的材料.6.5%硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10-6,高磁导Ni80坡莫合金的磁致伸缩系数为(0.1~0.5)×10-6,钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10-6以下.这3种软磁材料属于不太容易产生电磁干扰的材料.由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同.如果有低于或高于工作频率的电磁干扰,那是由其他原因产生的.

完成功能

电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种.特殊元件完成的功能另外讨论.变压器完成的功能有3个:功率传送、电压变换和绝缘隔离.电感器完成功能有2个:功率传送和纹波抑制.

功率传送有2种方式.第一种是变压器传送方式,即外加在变压器原绕组上的交变电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,加在负载上,从而使电功率从原边传送到副边.传送功率的大小决定于感应电压,也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB.ΔB与磁导率无关,而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关.从饱和磁通密度来看,各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为:铁钴合金为2.3~2.4T,硅钢为1.75~2.2T,铁基非晶合金为1.25~1.75T,铁基微晶纳米晶合金为1.1~1.5T,铁硅铝合金为1.0~1.6T,高磁导铁镍坡莫合金为0.8~1.6T,钴基非晶合金为0.5~1.4T,铁铝合金为0.7~1.3T,铁镍基非晶合金为0.4~0.7T,锰锌铁氧体为0.3~0.7T.作为电子变压器的磁芯用材料,硅钢和铁基非晶合金占优势,而锰锌铁氧体处于劣势.

功率传送的第二种是电感器传送方式,即输入给电感器绕组的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁变成电能释放给负载.传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能,也就是决定于电感器的电感量.电感量不直接与饱和磁通密度有关,而与磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,传送功率大.各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为:Ni80坡莫合金为(1.2~3)×106,钴基非晶合金为(1~1.5)×106,铁基微晶纳米晶合金为(5~8)×105,铁基非晶合金为(2~5)×105,Ni50坡莫合金为(1~3)×105,硅钢为(2~9)×104,锰锌铁氧体为(1~3)×104.作为电感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金占优势,硅钢和锰锌铁氧体处于劣势.

传送功率大小,还与单位时间内的传送次数有关,即与电子变压器的工作频率有关.工作频率越高,在同样尺寸的磁芯和线圈参数下,传送的功率越大.

电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成,不管功率传送大小如何,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比.

绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成.绝缘结构的复杂程度,与外加和变换的电压大小有关,电压越高,绝缘结构越复杂.

纹波抑制通过电感器的自感电势来实现.只要通过电感器的电流发生变化,线圈在磁芯中产生的磁通也会发生变化,使电感器的线圈两端出现自感电势,其方向与外加电压方向相反,从而阻止电流的变化.纹波的变化频率比基频高,电流纹波的电流频率比基频大,因此,更能被电感器产生的自感电势抑制.

电感器对纹波抑制的能力,决定于自感电势的大小,也就是电感量大小,与磁芯的磁导率有关,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大,处于优势,硅钢和锰锌铁氧体磁导率小,处于劣势.

提高效率

提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求.虽然,从单个电子变压器来看,损耗不大.例如,100VA电源变压器,效率为98%时,损耗只有2W并不多.但是成十万个、成百万个电源变压器,总损耗可能达到上十万W,甚至上百万W.还有,许多电源变压器一直长期运行,年总损耗相当可观,有可能达到上千万kW·h.显然,提高电子变压器的效率,可以节约电力.节约电力后,可以少建发电站.少建发电站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,废气,污水,烟尘和灰渣,减少对环境的污染.既具有节约能源,又具有保护环境的双重社会经济效益.因此,提高效率是对电子变压器的一个主要要求.

电子变压器的损耗包括磁芯损耗(铁损)和线圈损耗(铜损).铁损只要电子变压器投入工作,一直存在,是电子变压器损耗的主要部分.因此,根据铁损选择磁芯材料,是电子变压器设计的主要内容,铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数.铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关,在介绍软磁材料的铁损时,必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗.例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作频率400Hz下的铁损.P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作频率100kHz下的铁损.

软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗.涡流损耗又与材料的电阻率ρ成反比.ρ越大,涡流损耗越小.各种软磁材料的ρ从大到小的顺序为:锰锌铁氧体为108~109μΩ·cm,铁镍基非晶合金为150~180μΩ·cm,铁基非晶合金为130~150μΩ·cm,钴基非晶合金为120~140μΩ·cm,高磁导坡莫合金为40~80μΩ·cm,铁硅铝合金为40~60μΩ·cm,铁铝合金为30~60μΩ·cm,硅钢为40~50μΩ·cm,铁钴合金为20~40μΩ·cm.

因此,锰锌铁氧体的ρ比金属软磁材料高106~107倍,在高频中涡流小,应用占优势.但是当工作频率超过一定值以后,锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化,ρ变得相当小,损耗迅速上升到很高水平,这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率.

金属软磁材料厚度变薄,也可以降低涡流损耗.根据现有的电子变压器使用金属软磁材料带材的经验,工作频率和带材厚度的关系为:工频50~60Hz用0.50~0.23mm(500~230μm),中频400Hz至1kHz用0.20~0.08mm(200~80μm),1kHz至20kHz用0.10~0.025mm(100~25μm),中高频20kHz至100kHz用0.05~0.015mm(50~15μm),高频100kHz至1MHz用0.02~0.005mm(20~5μm),1MHz以上,厚度小于5μm.金属软磁材料带材只要降到一定厚度,涡流损耗可显著减少.不论是硅钢、坡莫合金,还是钴基非晶合金和微晶纳米晶合金都可以在中、高频电子变压器中使用,和锰锌铁氧体竞争.

降低成本

降低成本是对电子变压器的一个主要要求,有时甚至是决定性的要求.电子变压器作为一种商品和其他商品一样,都面临着市场竞争.竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可.不注意成本,往往会在竞争中被淘汰.

电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本.降低成本要从这三个方面来考虑.

软磁材料成本在电子变压器的材料成本中占有相当大的比例.根据现行的市场价格,每kg重量的软磁材料的价格从小到大的顺序是:锰锌软磁铁氧体,硅钢,铁基非晶合金,Ni50坡莫合金,钴基非晶合金,Ni80坡莫合金.锰锌铁氧体在中高频范围内广泛应用,硅钢在工频范围内广泛应用,最主要的原因之一就是价格便宜.

制造成本与设计和工艺有关.电子变压器所用的磁芯、线圈和总体结构的加工和装配工艺是复杂还是简单?需要人工占的比例多大?是否需要工模具?质量控制中需要检测的工序和参数有多少?要用什么检测仪器和设备?这些都是降低制造成本时要考虑的问题.

管理成本一般约占材料和制造成本之和的30%左右.如果管理得好,充分利用人力和财力,有可能降到20%左右.充分利用人力,是指工时利用率要高,减少管理人员和工人比例等等.充分利用财力,是指缩短生产周期,减少库存,加快资金流转等等.

所以,一个好的电子变压器设计者,除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料,电磁线,绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工和热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺和结构组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等.只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,价格低的电子变压器.

新软磁材料在电子变压器中的应用

电子变压器中的软磁材料,根据上面的分析,在工频及中频范围内主要采用硅钢,在高频范围内主要采用软磁铁氧体.现在硅钢遇到非晶纳米晶合金的挑战,软磁铁氧体既遇到非晶纳米晶合金的挑战,又遇到软磁复合材料的竞争.在挑战和竞争中,不但使新软磁材料迅速发展,也使硅钢和软磁铁氧体得到发展.新发展起来的软磁材料在电子变压器中的应用,使电子变压器的性能提高,成本下降.而且也使电源技术在向短、小、轻、薄的变革中遇到的难点——磁性元件小型化问题逐步得到解决.

下面分别介绍硅钢,软磁铁氧体,非晶纳米晶合金,软磁复合材料在电子变压器中应用的一些新进展.这里不介绍薄膜软磁材料,它是用于1MHz以上的,高频小型电子变压器的新一代软磁材料,留待以后专文介绍.

硅钢

电源技术中的工频电子变压器大量使用3%取向硅钢,现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm或0.23mm.国内生产的23Q110的0.23mm厚,3%取向硅钢,饱和磁通密度Bs为1.8T,其P1.7/50为1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚,3%HiB取向硅钢,Bs为1.89T,P1.7/50为0.95W/kg.日本生产的0.23mm厚,3%取向硅钢Bs为1.85T,P1.7/50为0.85W/kg.与国内产品相差不多.但是0.23mm厚的3%取向硅钢经过特殊处理,即用电解法将表面抛光至镜面,再涂张力涂层,最后细化磁畴,可以使P1.7/50下降到0.45W/kg.同时,对要求损耗低的电子变压器,日本还进一步把厚度减薄到0.15mm,经过特殊处理,可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当.

日本还用温度梯度炉高温退火新工艺,使0.15mm厚,3%取向硅钢的Bs达到1.95~2.0T,经过特殊处理,使P1.3/50为0.15W/kg,P1.7/50为0.35W/kg.采用三次再结晶新工艺,制成更薄的硅钢,Bs为2.03T,P1.3/50为0.19W/kg(0.075mm厚),0.17W/kg(0.071mm厚)和0.13W/kg0.032mm厚).

电源装置中的中频(400Hz至10kHz)电子变压器,除了使用0.20~0.08mm厚,3%取向硅钢外,日本已采用6.5%无取向硅钢.6.5%硅钢,磁致伸缩近似为零,可制成低噪声电子变压器,磁导率为16000~25000.ρ比3%硅钢高一倍,中频损耗低,例如:0.10mm厚的6.5%无取向硅钢P1/50为0.6W/kg,P1/400为6.1W/kg,P0.5/1K为5.2W/kg,P0.1/10k为8.2W/kg,Bs为1.25T.采用温轧法可以生产6.5%取向硅钢,Bs提高到1.62~1.67T.0.23mm厚的6.5%取向硅钢P1/50为0.25W/kg.日本已用6.5%硅钢制成1kHz音频变压器,在1.0T时,噪声比3%取向硅钢下降21dB,铁损下降40%,还用6.5%硅钢取代3%取向硅钢用于8kHz电焊机中,铁芯重量从7.5kg减少到3kg.6.5%硅钢国内已进行小批量生产.

与研制6.5%硅钢的同时,日本还开发了硅含量呈梯度分布的硅钢.

1)中高频低损耗梯度硅钢,表层硅含量6.5%,电阻率高,磁导率高,磁通集中在表面,涡流也集中表面,损耗小.内部硅含量低于6.5%.总的损耗低于6.5%硅钢.例如:0.20mm厚的6.5%硅钢的P0.1/10k为16W/kg,梯度硅钢为13W/kg;P0.05/20k6.5%硅钢为14W/kg,梯度硅钢为9W/kg.由于总的硅平均含量低于6.5%,Bs比6.5%硅钢高,可达1.90T.延伸性即加工性也比6.5%硅钢好.已经用这种梯度硅钢制成家用电器逆变器用电感器,由于Bs高,损耗低,既体积小,又发热少.

2)低剩磁梯度硅钢,表层硅含量高,磁致伸缩小,中心层硅含量低,磁致伸缩大.表层与中心层存在的磁致伸缩差而引发应力.出现的弹性能导致剩磁低,一般饱和磁通密度Bs为1.96T,剩磁Br为0.34T.ΔB=Bm-Br超过1.0T(Bm为工作磁通密度).损耗也低,P1.2/50为1.27W/kg.可以用于脉冲变压器,单方向磁通变化电源变压器等.作为电源变压器铁芯时,还可以抑制合闸时的突发电流浪涌.

最近报导,日本开发出用于中高频电子变压器的硅钢新品种——添加铬(Cr)的硅钢.在4.5%硅钢中,添加4%铬,电阻率可达82μΩ·cm,而一般3%取向硅钢电阻率为44μΩ·cm,牌号为“HiFreqs”.0.1mm厚添加铬的硅钢损耗低,P0.2/5k为20.5W/kg,P0.1/10k为10W/kg,P0.05/20k为5W/kg;延伸性即加工性好,与3%硅钢一样,可以进行冲剪,铆固加工;耐腐蚀性好,在盐水和湿气中,不涂层也不腐蚀.已用这种添加铬的硅钢制成25kHz开关电源用滤波电感器,铁芯损耗为22W/kg,比6.5%硅钢(36W/kg)和铁基非晶合金(29W/kg)小.还用它制成70kHz感应加热装置的电子变压器,比0.1mm厚3%取向硅钢发热显著减少,寿命延长4倍以上.

软磁铁氧体

软磁铁氧体的特点是:饱和磁通密度低,磁导率低,居里温度低,中高频损耗低,成本低.前三个低是它的缺点,限制了它的使用范围,现在正在努力改进.后两个低是它的优点,有利于进入高频市场,现在正在努力扩展.

以100kHz,0.2T和100℃下的损耗为例,TDK公司的PC4