环形变压器额定功率计算公式.doc

深入了解 环形变压器额定功率计算公式
2009-08-10 07:41:00  作者：佚名  来源：网络  文字大小：【大】【中】【小】
·                     发烧友都习惯称环型变压器为“环牛”，由于电源变压器在音响系统中的重要性，所以衡量其性能的优劣也显得非常重要...
      发烧友都习惯称环型变压器为“环牛”，由于电源变压器在音响系统中的重要性，所以衡量其性能的优劣也显得非常重要，以下为小编在网上找到的一套计算公式，能在没有环牛具体参数的情况下估算其额定功率。

以下是三诺N-45G环型电源变压器的一些参数：

环型变压器及其应用

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％。
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
表1加拿大PLITRON环形变压器外形尺寸及重量输出功率P2/VA变压器外径Dw/mm变压器高度h1/mm装配后高度h2/mm重量m/kg
85525300.25
156333370.35
307033380.45
508038450.9
809735391.00
1209543471.2
16011045501.8
22511050552.2
30011057622.6
50013563674.0
62514578835.0
75015080855.5
100016080856.3
1500200758011.7
环形变压器及其应用：
图1环形变压器外形图
  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。
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，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60℃，绝缘材料等级为A级（105℃），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50～1000VA，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，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。
   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
  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。PN=PL(VA)（1）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

图2变压器断续负载情况

图3环形变压器电压调整率与输出功率的关系曲线

图4环形变压器效率与负载率的关系曲线

图5自耦变压器电路图

图6环形变压器的温升与负载率的关系曲线分数表示，如式（2）所示：ΔU=×100％（2）
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。

  表2环形变压器电压调整率变压器功率/VA电压调调整率ΔU/％
（标准型）（经济型）（隔离型）
822
1520
3018
501320.620.6
801216.116.1
1201113.713.7
160811.211.2
22579.39.3
30069.39.3
50047.47.4
62546.76.7
75046.56.5
100045.55.5
150044.9
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。η=（3）

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，对环形变压器及叠片式变压器，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。
   表3整流电路与变压器参数电路名称电路图变压器次级电压U2/V变压器次级电流I2/A
双整流电路0.8(Ud＋2)1.8Id
桥式整流电路0.8(Ud＋2)1.8Id
全波中心抽头1.7(Ud＋1)1.2Id
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=11.8V，次级电流I2=16.7A，电压调整率ΔU≤7％，来说明计算的方法和步骤。

1）计算变压器次级功率P2

P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)

2）计算变压器输入功率P1（设变压器效率η=0.95）与输入电流I1P1===207VA(6)I1===0.94A

3）计算铁心截面积SS=K(cm2)(7)

式中：K——系数与变压器功率有关，K=0.6～0.8，取K=0.75；

PO——变压器平均功率，Po===202VA。则S=0.75=10.66cm2，取S=11cm2。

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。核算所选用的铁心的截面积S=H=×40×10－2=11cm2

4）计算初级绕组每伏匝数N10与匝数N1N10=（匝/V）（8）

式中：f——电源频率（Hz），f=50Hz；

B——磁通密度（T）,B=1.4T。代入得N10==2.9匝/V，取N10=3匝/V，则

N1=N10U1=3×220=660匝。

5）计算次级绕组每伏匝数N20与匝数N2N20=（匝/V）（9）代入得N20==3.23匝/V，则

N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。

6）选择导线线径

图7环形变压器截面图

绕组导线线径d按式(10)计算d=1.13(mm)(10)

式中：I——通过导线的电流（A）；

j——电流密度，j=2.5～3A/mm2。

当取j=2.5A/mm2时代入式(10)得d=0.72(mm)则初级绕组线径d1=0.72=0.69mm，选漆包线外径为0.72mm。次级绕组线线径d2=0.72=2.94mm，选用两条d=2.12mm（考虑绝缘漆最大外径为221mm）导线并绕。因为2.94导线的截面积Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm导线的截面积为3.53mm2两条并联后可得截面积为：2×3.53=7.06mm2，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to=1.5mm，t1=t2=1mm。

1）计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径Dn2

计算初级绕组每层绕的匝数n1n1=（匝）（11）

式中：Dn1——铁心包绝缘后的内径，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.5)=52mm；

kp——叠绕系数，kp=1.15。代入得n1==197匝

则初级绕组的层数Q1为Q1===3.35取整数Q1=4层

初级绕组厚度δ1为

δ1=Q1d1kp=4×0.72×1.15=3.3mm

则初级绕组包绝缘后的内径Dn2为

Dn2=Dn1－2(δ1＋t1)=52－2(3.3＋1)=43.4mm

2）计算次级绕组的厚度δ2

计算次级绕组每层绕的匝数n2，考虑到次级绕组是用2×d2=2×2.21mm导线并绕，则n2===27匝

则次级绕组的层数Q2为Q2===1.41，取整数Q2=2层。

次级绕组厚度δ2为

δ2=Q2d2kp=2×2.21×1.15=5.08mm

3）计算绕完初次级绕组及包绝缘后的内径Dn4

Dn4=Dn2－2(δ2＋t2)=43.4－2(5.08＋1)=31.24mm

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13.8mA，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。

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=12.6V，当通以额定电流I2=16.7A时，次级输出电压为U2=11.8V，按式（2）计算电压调整率为

()

表4环形变压器空载特性测量数据表交流输入电压U1/V空载电流I0/mA
202.1
403.3
604.0
804.9
1005.6
1206.4
1407.3
1608.3
1809.6
20011.2
22013.8
24018
25022.7

环形变压器及其应用

图9环形变压器空载特性曲线

图8空载特性测量电路

ΔU=×100％==6.4％
变压器电压调整率达到ΔU<7％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Δτm。Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）

测量的数据及计算结果列于表5

表5200VA环形变压器温升试验数据绕组类别测冷阻（r1）时的环境温度t1/℃测热阻（r2）时的环境温度t2/℃t1时绕组电阻r1/Ωt2时绕组电阻r2/Ω常数k绕组平均温升Δτ/℃
初级34.835.55.2755.958234.534.2
次级34.835.50.018520.0208234.532.5
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Δτm<40℃，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100MΩ。

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。

图片1：图1环形变压器外形图

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图2变压器断续负载情况

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图3环形变压器电压调整率与输出功率的关系曲线

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图4环形变压器效率与负载率的关系曲线

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图5自耦变压器电路图

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图6环形变压器的温升与负载率的关系曲线

环形变压器的手工绕制法

家用功放机大都采用环形变压器供电。环形变压器有漏磁小、转换效率高、频率响应宽等特点，可以提高功放机音质。如果环形变压器烧坏，又买不到原配型号来替换，那只有采取手工绕制的方法来复制。下面介绍手工绕制的方法。
互．拆除旧绕组
用剪刀将绝缘纸剪破后即露出变压器的次级绕组，次级绕组线径通常较粗，在实际维修中极少见到有烧坏的情况，因其匝数不太多，故可一匝一匝地拆了以便统计匝数。多个次级绕组均可采取类似方法边拆边计匝数。初级绕组线径较细，烧坏的情况较常见。由于初级绕组的匝数多在千匝以上，加之绝缘材料被烧熔后附着于线匝上，若仍采用上述方法来统计匝数，显然是很麻烦的。快速处理方法是：用剪刀沿圆周上中心线将初级统组线圈一层层剪断，然后将剪断的线圈剥离铁心，再数出根数即得总匝数。开剪方法如图所示。

2．对环形铁心进行绝缘处理
环形变压器的铁心通常用优质高导磁率硅钢带卷制而成。当初级线圈烧坏后，浸有绝缘漆的环形铁心的绝缘层同时会不同程度地受损，在重新绕线圈前应进行浸漆处理。方法是：将环形铁心浸在绝缘漆中，数分钟后取出晾干，再在烘箱中烘干。然后在内外圆周上各粘贴一层胶带，再将玻璃纸划成宽约2cm的条状，将铁心包裹卷绕一层，并用双面胶带粘连接头。
3．线梭制作
为了便于手工操作，必须制作一种专用的绕线线棱。笔者设计了一种“工”字形的线梭，如图2所示。它可用塑料薄片或不锈钢薄片加工而成，可取为单股线匝周长的8倍左右，宽度小于环形铁心内径2cm左右。这样的线核不仅穿绕方便，还可减少穿绕次数。显然，漆包线在线梭上绕一圈的长度为单股线匝周长的8×2＝16倍，若采用双线并绕，线梭上每一圈漆包线就可在环形铁心上绕32匝。以影皇AV－228专业功率放大器为例，其环形变压器初级线圈为1068T。双线并绕为534T，因而在线梭上绕534÷I6≈34圈漆包线就够用了。
4．绕制线圈
先绕初级绕组，取和原线径相近的优质高强度漆包线，双线并绕在“工”字形线梭上，圈数满足要求后剪下。将双线头用双面胶粘附在环形铁心的外圆周上，使线梭在环形铁心的内孔中穿绕，如图3所示。一层线圈绕好后，刷上一层绝缘漆（有利于线匝定位及绝缘），并用玻璃纸包上一层，再绕第二层线圈。绕好后，将两线圈的头尾相接使其串联，另两根线头用软皮线焊接引出，并做好绝缘。在初级统组上加一层层间绝缘纸后再绕次级绕组，绕制方法与初级绕组绕法类同。
当所有绕组绕制完毕后，将环形变压器放入恒温箱中烘烤一段时间，以使绝缘漆干燥。再在最外层用一层较厚的绝缘纸包好，环形变压器就制作完成了。

杂谈功放的心脏---牛(电源变压器) --转帖
一台好的功放必须有一只好的电源变压器，这已经是业内的共识。但是选用什么样的变 压器才能使功放的声音更符合你的口味，对于不少初级diy爱好者来说，也许并不是很清楚。本文简述几种常用电源变器，希望能够对喜欢焊机初入此道的发烧友有所帮助。

　　变压器的出现已经有100多年的历史了，六十年代以前，世界上普遍使用的变压器铁芯 结构为e形或c形，截面为矩形，采用插片式或中间切割工艺制造，铁芯的质量和一致性都很差。变压器的电性能参数难以得到提高。随着科学技术的进步，变压器铁芯的结构经过了几 次大的改进。变压器铁芯材料也由热轧低硅片发展到热轧高硅片、冷轧取向硅片、非晶态合金片等。电磁性能参数也有了较大的提高。

       在功放中最为常见的电源变压器为ei型、环型，其次为双柱型、r型、c型。
ei型（见图一）是最为常用和多见的，结构简单.它的优点是加工制作容易绕制方便，成
本低廉，抗饱和性能好。缺点为漏磁大、同功率下的体积重量偏大，转换效率相对较低。
ei型变压器在音色上的声音走向为厚重浓郁、温暖醇和，音场层次、细节解析力一般。
当采用特殊的分层分段绕制方法后（既所谓的发烧绕制法），在细节和解析力上有显著提
高，而且高频的幼细延伸感也非常出色，有别于其他类型的电源变压器。如果在使用过程中再针对其缺点增加部分辅助改良措施，例如增加屏蔽罩，采用优质铁芯和无氧铜线，科学合理的绕制方法等，这一最原始古老的电子器件，仍是非常出色的。许多世界名机例如麦精图等一直在坚持沿用这一传统的元器件。经典的胆机制作也一直在沿用它。适合听音口味上喜欢“唯美”的diy爱好者选用。
       笔者在使用ei型变压器时，喜欢自己绕制。采用敷铜板制作特殊的具有屏蔽作用的骨
架，初级绕组与次级绕组分成上下相互屏蔽、独立的两段绕制。采用这种方法绕制的变压器具有隔离变压器的功效，而没有另外搭配隔离变压器对声音造成的负面影响。听感上层次、细节、音场、定位都要明显 好过常规同轴绕制的ei型变压器。感兴趣的爱好者不妨实验一下。由于这种方法磁耦合不如 常规变压器的效率高，因此在较大功率功放上使用时，要注意适当增大铁芯截面积来补偿。适合于要求输出功率不是很大的功放使用。

       环型变压器（图二）是c型变压器之后开发出来的品种，磁路短，效率高，铜损与铁损均小于ei型变压器，体积和重量小，安装使用方便。缺点为制作费用相对较高，抗直流饱和性 能差。环型变压器在音色走向上为清爽亮丽、刚劲，音场层次、细节解析力、速度感优于ei型。但在中频的厚声温暖感上要逊色于ei型。由于环型变压器具有一些优异的性能特点，因此被广泛的应用于各种档次的功放之中。但是由于环型变压器的抗直流饱和性能差，极易产生杂音干扰，因此在一些顶级功放中的应用又受到一定限制，尤其是一些纯a类功放。近年来由于技术的进步，环型变压器的这一先天缺点已经逐步得到改善，在国外的一些高档功放上环型变压器的身影又多了起来。

       r型变压器（图三）是九十年代后开发出来的一种性能更为优秀的品种。是由日本北村机电株式会社社长北村文男发明的。r型变压器具有环型变压器的所有优点：
1，漏磁极小，仅为ei型变压器的1/10、c型变压器的1/5左右。
2，损耗小，温升低，相同功率下温升只有ei型变压器的1/2。
3，频率特性好：r形变压器在中频（400hz）工作时显示出极小的空载电流和空载损
耗，其数量 级甚至可以达到工作在50hz时的量值；r形变压器在音频范围内工作时，
显出优于其他任何类形变压器的幅频性好：电压波形失真度＜0.2%,频率响应＜1db。r型变 压器的缺点同环型变压器一样，抗直流饱和性能差！其次就是目前的市场价格还比较昂贵，相同功率下其价格是ei型的一倍，比环型的要贵出1/3多。
r型变压器声音非常饱满坚实，乐器质感很好，有着比环型变压器更为出色的解析力和
瞬变。低频有着比其他变压器更为清晰的层次表现。但声音偏冷艳，声底淡一些，中频也相 对薄一点。低频的量感相对于同功率的环型变压器来说似乎少一些。下潜深度也有所不及。同时r型变压器由于结构上的生理缺陷，抗直流饱和性能也更差。

       以上对各类型变压器的声音评价只是一般情况下的大概走向，但是经过特殊设计和制作的变压器，其声音特点也是完全可以改变的，国内已经有厂家早就开始了这方面的研究实验，象山西省机电设计研究院声达电器厂等。
还有其他几种形式的变压器，例如c型、双柱型等，由于在功放中少有采用，这里就不
叙述了。业余制作功放时，经常遇到变压器功率的选取问题，按照常规计算出来的数据是没有问题的，但实际应用时由于音质校音的需要，往往要比实际的计算值大很多。那么到底选取多大功率的变压器合适呢？我个人认为如果选用环型变压器的话，最好大于总输出功率的三倍以上为好，可以放宽到6-10倍。例如krell fpb300功放（图四），每声道输出动态甲类300w，内部使用了一个五千瓦的环型变压器。如果选用ei型变压器的话，由于不易饱和，以及声音调校上的原因，相对的可以放宽对功率的要求。r型的可参照环

环形变压器的设计
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=11.8V，次级电流I2=16.7A，电压调整率ΔU≤7％，来说明计算的方法和步骤。

1）计算变压器次级功率P2

P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)

2）计算变压器输入功率P1（设变压器效率η=0.95）与输入电流I1

式中：K——系数与变压器功率有关，K=0.6～0.8，取K=0.75；

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。

式中：f——电源频率（Hz），f=50Hz；

B——磁通密度（T）,B=1.4T。

N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。

6）选择导线线径

绕组导线线径d按式(10)计算

式中：I——通过导线的电流（A）；

j——电流密度，j=2.5～3A/mm2。

当取j=2.5A/mm2时代入式(10)得

用两条d=2.12mm（考虑绝缘漆最大外径为2。21mm）导线并绕。因为Φ2.94导线的截面积Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm导线的截面积为3.53mm2两条并联后可得截面积为：2×3.53=7.06mm2，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to=1.5mm，t1=t2=1mm。

1）计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径Dn2

计算初级绕组每层绕的匝数n1

式中：Dn1——铁心包绝缘后的内径，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.5)=52mm；

kp——叠绕系数，kp=1.15。

则初级绕组的层数Q1为

初级绕组厚度δ1为

2）计算次级绕组的厚度δ2

计算次级绕组每层绕的匝数n2，考虑到次级绕组是用2×d2=2×2.21mm导线并绕，则

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13.8mA，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。

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=12.6V，当通以额定电流I2=16.7A时，次级输出电压为U2=11.8V，按式（2）计算电压调整率为

变压器电压调整率达到ΔU<7％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Δτm。

测量的数据及计算结果列于表5

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Δτm<40℃，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100MΩ。

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

环形变压器及其应用
李庆霖，刘佩玲，李劲涛
    摘  要：介绍了环形变压器的特性和优点，阐明了应用中要注意的事项，通过实例介绍了环形变压器的设计计算方法。
    关键词：变压器；环形变压器；设计
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％。
    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。
    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，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60℃，绝缘材料等级为A级（105℃），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50～1000VA，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，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。
    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

    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。
4．6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