電源設(shè)計(jì)指南-變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)解析

電源設(shè)計(jì)指南——變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)解析1前言電源中一般都含有軟磁鐵心組成的電磁器件。按照比較廣義的說法，在電子設(shè)備和電子電路中的電磁器件，都叫做電子變壓器。電源中變壓器或電磁器件，絕大多數(shù)屬于電子變壓器。但是，有的電源中，變壓器還具有耐高壓的絕緣要求。例如：大容量直流電源和大容量不間斷電源，整流變壓器不從一般的380V或220V輸入，而從10KV或6.3KV輸入，與一般電子變壓器有很大差別，而與電力變壓器更相似一些。所以，本文討論的電源中的變壓器，既包括電子變壓器，又涉及電力變壓器。本文討論電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)，以及它們與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系，是為了更深入理解另外兩篇文章“變壓器鐵心材料的近期動(dòng)向”和“變壓器導(dǎo)電材料的近期動(dòng)向”中所介紹的內(nèi)容，從而使三篇文章形成有機(jī)的整體。編寫這三篇文章的目的是希望通過了解鐵心材料和導(dǎo)電材料的近期動(dòng)向，更好的把握電源中變壓器的發(fā)展趨勢，供電源行業(yè)、電子變壓器行業(yè)、電力變壓器行業(yè)的朋友們參考。如有錯(cuò)誤之處，敬請指正。2一般要求電源中的變壓器，作為一種商品的產(chǎn)品，總的要求是在具體使用條件下完成具體的功能中，追求性能價(jià)格比最高。從總要求出發(fā)，提出四點(diǎn)一般要求：使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技術(shù)性能，又包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2.1使用條件電源中的變壓器的使用條件，包括使用可靠性和使用電磁兼容性。使用可靠性是指在具體的使用條件下，變壓器能正常工作到使用壽命為止。使用條件中對變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定鐵心材料受溫度影響強(qiáng)度的是居里點(diǎn)。鐵心材料居里點(diǎn)高，受溫度影響小，鐵心材料居里點(diǎn)低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體居里點(diǎn)一般只有215℃，比較低，磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化。除正常溫度25℃而外，還要給出60℃、80℃、100℃時(shí)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，MnZn鐵氧體制成的鐵心，一般工作溫度限制在100℃以下，也就是在環(huán)境溫度40℃時(shí)，溫升只允許低于60℃。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205℃，也低，使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370℃，可以在150℃—180℃以下使用。鐵基納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃，硅鋼的居里點(diǎn)為730℃，可以在300℃以下使用。決定導(dǎo)電材料工作溫度的不是銅導(dǎo)線，而是外包絕緣材料的耐熱等級。例如QZ聚酯漆包線，耐熱等級為B級，最高溫度為130℃。QY聚酰亞胺漆包線，耐熱等級為C級，最高工作溫度為220℃。使用電磁兼容性是指變壓器既不產(chǎn)生對外界的電磁*，又能承受外界的電磁*。電磁*包括可聽見的音頻嗓聲和聽不見的高頻噪聲。變壓器產(chǎn)生電磁*的主要原因是鐵心的磁致伸縮，磁致伸縮系數(shù)大的鐵心材料，產(chǎn)生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為（27—30）×10-6，最大，用它制作鐵心時(shí)必須采取減少噪聲抑制*的措施，MnZn軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6左右，也容易產(chǎn)生電磁*。3%取向冷軋硅鋼磁致伸縮系數(shù)為（1-3）×10-6.，鐵基納米晶合金磁致伸縮系數(shù)為（0.5-2）×10-6，比較容易產(chǎn)生電磁*。6.5%無取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6左右，不容易產(chǎn)生電磁*。由鐵心材料產(chǎn)生的電磁*的頻率一般與變壓器的工作頻率相同，如果有低于或高于工作頻率的電磁*，那是由其他原因產(chǎn)生的。導(dǎo)電材料不產(chǎn)生電磁*。由導(dǎo)電材料繞制的線圈有可能產(chǎn)生電磁*，不是由導(dǎo)電材料造成的，而是由導(dǎo)電材料之間的作用和線圈結(jié)構(gòu)造成的。2.2完成功能電源中的電磁器件從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器兩種。變壓器完成的功能有三個(gè)：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有兩個(gè)：功率傳送和紋波抑制，這里不單討論電源中變壓器的完成功能，也討論電源中電感器的完成功能。變壓器的功率傳送是這樣完成的：外加在變壓器初級繞組上的交變電壓，在鐵心中產(chǎn)生磁通變化，使次級繞組感應(yīng)電壓，輸出給負(fù)載，從而使電功率從變壓器初級傳送給次級。傳送功率的大小，決定于感應(yīng)電壓，也就是決定于單位時(shí)間內(nèi)磁通密度變化量△B?！鰾與磁導(dǎo)率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。硅鋼飽和磁通密度為1.5—2.03T，鐵基非晶合金飽和磁通密度為1.58T左右，鐵基納米晶合金飽和磁通密度為1.2—1.45T，鈷基非晶合金飽和磁通密度為0.5—0.8T。MnZn軟磁鐵氧體飽和磁通密度為0.3—0.5T。作為變壓器用鐵心材料，硅鋼占優(yōu)勢，鐵基非晶合金其次，MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。電感器的功率傳送是這樣完成的：輸入給電感器繞組的電能，使鐵心激磁，變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來，然后通過去磁變成電能，釋放給負(fù)載。傳送功率的大小，決定于鐵心的儲(chǔ)能，也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān)，而與磁導(dǎo)率有關(guān)。磁導(dǎo)率高，電感量大，傳送能量多，傳送功率大。鈷基非晶合金磁導(dǎo)率為（1—1.5）×106，鐵基納米晶合金導(dǎo)磁率為（5—8）×105，鐵基非晶合金磁導(dǎo)率為（2—4）×105，硅鋼磁導(dǎo)率（2—9）×104，MnZn軟磁鐵氧體磁導(dǎo)率為（1—3）×104。作為電感器用鐵心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占優(yōu)勢，硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢。傳送功率大小，還與單位時(shí)間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān)，即與變壓器和電感器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高，在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數(shù)的線圈條件下，傳送功率越大。電壓變換通過變壓器初級和次級線組的匝數(shù)比來完成。不管變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數(shù)比就等于輸入和輸出的電壓變換比。絕緣隔離，通過變壓器初級和次級繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。一般電子變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較簡單。電力變壓器外加電壓超過6kV，絕緣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了承受工頻試驗(yàn)電壓而外，還要求承受短時(shí)沖擊試驗(yàn)電壓。電感器的紋波抑制通過自感電勢來實(shí)現(xiàn)。只要流過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在鐵心中產(chǎn)生的磁通也會(huì)隨著發(fā)生變化，使電感器線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比工作頻率（基本頻率）高，因此更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢的大小，也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導(dǎo)率有關(guān)，從電感器抑制紋波能力來看，磁導(dǎo)率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好，磁導(dǎo)率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。2.3提高效率提高效率是對電源中變壓器的一個(gè)重要要求，一個(gè)原因是由于石油、煤等能源價(jià)格上漲，節(jié)能成為當(dāng)代的一個(gè)重要任務(wù)。許多電子設(shè)備，包括電源在內(nèi)，不單要求考核負(fù)載時(shí)的能耗，還要求考核待機(jī)（接近空載）時(shí)的能耗。電源中變壓器的損耗是電源待機(jī)能耗中的主要部份。另一個(gè)原因是電源中變壓器數(shù)量巨大，雖然從單個(gè)電源中變壓器來看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬個(gè)，成百萬個(gè)電源中變壓器，總損耗可達(dá)到幾十萬瓦，幾百萬瓦，相當(dāng)可觀。還有，許多電源中變壓器一直長期運(yùn)行，年總損耗決不是一個(gè)小數(shù)目。因此，電源中變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個(gè)重要要求。電源中變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中變壓器投入運(yùn)行，一直存在，是變壓器空載損耗的主要部分。在設(shè)計(jì)和制作變壓器鐵心時(shí)，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關(guān)，因此，鐵心材料的損耗必須注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度0.25T（250mT）和工作頻率100kHZ下的損耗。鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，渦流損耗與鐵心材料電阻率有關(guān)。電阻率越大，渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108—109μΩcm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用占優(yōu)勢，鐵基非晶合金電阻率為130——150μΩcm，硅鋼電阻率為20—40μΩcm，比MnZn軟磁鐵氧體小106—107倍，在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現(xiàn)在各種工作頻率的變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是：工頻50HZ—60HZ用0.50—0.23mm（500—230μm），中頻400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm（200—80μm），1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm（100-25μm），中高頻20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm（50-15μm），高頻100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm（20-5μm），1MHZ以上用小于5μm。鐵基非晶合金由于噴帶設(shè)備原因，帶厚一般為40—25μm，在工頻50HZ至中頻400HZ—20kHZ時(shí)都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金，帶厚一般都小于18μm。以前人有認(rèn)為：鐵心的填充系數(shù)與金屬鐵心材料的帶厚有關(guān)，并且提出一個(gè)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數(shù)的唯一因數(shù)?，F(xiàn)在看來，這個(gè)計(jì)算鐵心填充系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式并不完全成立。因?yàn)椋F心填充系數(shù)并不只由鐵心材料帶厚一個(gè)因數(shù)決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數(shù)影響。按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，鐵基非晶合金帶厚25μm時(shí)，填充系數(shù)達(dá)不到0.80，而現(xiàn)在用25μm厚鐵基非晶合金帶材加工成的變壓器鐵心，填充系數(shù)一般都大于0.86，甚至還達(dá)到0.90。電源中變壓器線圈損耗是負(fù)載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導(dǎo)電材料的電阻率?，F(xiàn)在電源中變壓器的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)采用銅。而不用鋁，原因就是銅的電阻率小，造成的線圈損耗小，在有些體積小的高頻平面變壓器和薄膜變壓器中，導(dǎo)電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因?yàn)樽儔浩鞯捏w積小，散熱面積小，要求線圈損耗更小，才能保證平面變壓器和薄膜變壓器的線圈溫升不會(huì)超過規(guī)定的允許值。2.4降低成本降低成本是電源變壓器作為商品的一個(gè)重要要求，有時(shí)甚至是決定性的要求。因?yàn)樵谏唐犯偁幹行阅軆r(jià)格比是產(chǎn)品的主要指標(biāo)。不注意降低成本，不注意降低價(jià)格，往往會(huì)在商品競爭中被淘汰。電源中變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%，是最重要的部份。材料成本中鐵心材料和導(dǎo)電材料成本又占80%左右。因此鐵心材料和導(dǎo)電材料的市場動(dòng)向，價(jià)格變化情況對電源中變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設(shè)計(jì)有關(guān)。在設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵心材料和導(dǎo)電材料的價(jià)格，調(diào)整變壓器的用鐵心材料量與用導(dǎo)電材料量的比值（銅鐵比），使材料成本在現(xiàn)有條件下達(dá)到最低?，F(xiàn)在采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí)，追求成本最低，應(yīng)當(dāng)成為一個(gè)主要限制條件。制造成本也與設(shè)計(jì)和工藝有關(guān)。設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí)，不單要考慮鐵心材料和導(dǎo)電材料的價(jià)格和用量，還要考慮鐵心和線圈的結(jié)構(gòu)以及變壓器總體結(jié)構(gòu)是否便于加工和裝配？需用多少人工工時(shí)？需要多少設(shè)備和工模具？需要什么檢測設(shè)備和儀器來控制質(zhì)量？這些都是變壓器設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮的。管理成本決定于人力和財(cái)力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工時(shí)利用率，減少管理人員和工人的比例等。充分利用財(cái)力，是指縮短生產(chǎn)周期，減少庫存，加快資金流轉(zhuǎn)等。這些主要由經(jīng)