環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

4．7變壓器與整流電路

大多數(shù)作電源用的環(huán)形變壓器都與整流電路相連，現(xiàn)將最常用的整流電路和變壓器次級(jí)電壓U2、次電流I2與直流電壓Ud直流電流Id的關(guān)系列在表3中，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。

表3整流電路與變壓器參數(shù)電路名稱電路圖變壓器次級(jí)電壓U2/V變壓器次級(jí)電流I2/A
雙整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
橋式整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
全波中心抽頭1.7(Ud＋1)1.2Id
5環(huán)形變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算

通過(guò)設(shè)計(jì)一臺(tái)50Hz石英燈用的電源變壓器，其初級(jí)電壓U1=220V，次級(jí)電壓U2=11.8V，次級(jí)電流I2=16.7A，電壓調(diào)整率ΔU≤7％，來(lái)說(shuō)明計(jì)算的方法和步驟。

1）計(jì)算變壓器次級(jí)功率P2

P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)

2）計(jì)算變壓器輸入功率P1（設(shè)變壓器效率η=0.95）與輸入電流I1P1===207VA(6)I1===0.94A

3）計(jì)算鐵心截面積SS=K(cm2)(7)

式中：K——系數(shù)與變壓器功率有關(guān)，K=0.6～0.8，取K=0.75；

PO——變壓器平均功率，Po===202VA。則S=0.75=10.66cm2，取S=11cm2。

根據(jù)現(xiàn)有鐵心規(guī)格選用鐵芯尺寸為：高H=40mm，內(nèi)徑Dno=55mm，外徑Dwo=110mm。核算所選用的鐵心的截面積S=H=×40×10－2=11cm2

4）計(jì)算初級(jí)繞組每伏匝數(shù)N10與匝數(shù)N1N10=（匝/V）（8）

式中：f——電源頻率（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，則

N1=N10U1=3×220=660匝。

5）計(jì)算次級(jí)繞組每伏匝數(shù)N20與匝數(shù)N2N20=（匝/V）（9）代入得N20==3.23匝/V，則

N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。

6）選擇導(dǎo)線線徑

圖7環(huán)形變壓器截面圖

繞組導(dǎo)線線徑d按式(10)計(jì)算d=1.13(mm)(10)

式中：I——通過(guò)導(dǎo)線的電流（A）；

j——電流密度，j=2.5～3A/mm2。

當(dāng)取j=2.5A/mm2時(shí)代入式(10)得d=0.72(mm)則初級(jí)繞組線徑d1=0.72=0.69mm，選漆包線外徑為0.72mm。次級(jí)繞組線線徑d2=0.72=2.94mm，選用兩條d=2.12mm（考慮絕緣漆最大外徑為221mm）導(dǎo)線并繞。因?yàn)?.94導(dǎo)線的截面積Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm導(dǎo)線的截面積為3.53mm2兩條并聯(lián)后可得截面積為：2×3.53=7.06mm2，完全符合要求且裕度較大。

6環(huán)形變壓器的結(jié)構(gòu)計(jì)算

環(huán)形變壓器的繞組是用繞線機(jī)的繞線環(huán)在鐵心內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而繞制的，因此鐵心內(nèi)徑的尺寸對(duì)加工過(guò)程十分重要，結(jié)構(gòu)計(jì)算的目的就是檢驗(yàn)繞完全部繞組后，內(nèi)徑尚余多少空間。若經(jīng)計(jì)算內(nèi)徑空間過(guò)小不符合繞制要求時(shí)，可以修改鐵心尺寸，只要維持截面積不變，電性能也基本不變。

已知鐵心內(nèi)徑Dno=55mm，圖7中各絕緣層厚度為to=1.5mm，t1=t2=1mm。

1）計(jì)算繞完初級(jí)繞組及包絕緣后的內(nèi)徑Dn2

計(jì)算初級(jí)繞組每層繞的匝數(shù)n1n1=（匝）（11）

式中：Dn1——鐵心包絕緣后的內(nèi)徑，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.5)=52mm；

kp——疊繞系數(shù)，kp=1.15。代入得n1==197匝

則初級(jí)繞組的層數(shù)Q1為Q1===3.35取整數(shù)Q1=4層

初級(jí)繞組厚度δ1為

δ1=Q1d1kp=4×0.72×1.15=3.3mm

則初級(jí)繞組包絕緣后的內(nèi)徑Dn2為

Dn2=Dn1－2(δ1＋t1)=52－2(3.3＋1)=43.4mm

2）計(jì)算次級(jí)繞組的厚度δ2

計(jì)算次級(jí)繞組每層繞的匝數(shù)n2，考慮到次級(jí)繞組是用2×d2=2×2.21mm導(dǎo)線并繞，則n2===27匝

則次級(jí)繞組的層數(shù)Q2為Q2===1.41，取整數(shù)Q2=2層。

次級(jí)繞組厚度δ2為

δ2=Q2d2kp=2×2.21×1.15=5.08mm

3）計(jì)算繞完初次級(jí)繞組及包絕緣后的內(nèi)徑Dn4

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

可見(jiàn)繞完繞組后，內(nèi)徑還有裕量，所選鐵芯尺寸是合適的。

7環(huán)形變壓器樣品的性能測(cè)試

為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性，對(duì)按設(shè)計(jì)參數(shù)制成的環(huán)形變壓器樣品進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果如下。

7．1空載特性測(cè)試

測(cè)量電路如圖8所示。測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表4，按照表4的數(shù)據(jù)，繪出圖9所示的空載特性曲線。

從變壓器的空載特性看出設(shè)計(jì)符合要求，在額定工作電壓220V時(shí)（工作點(diǎn)為A），變壓器的空載電流只有13.8mA，即使電源電壓上升到240V變壓器工作在B點(diǎn)鐵心還未飽和，有較大的裕度。

7．2電壓調(diào)整率測(cè)量

變壓器在空載時(shí)測(cè)得的次級(jí)空載電壓U20=12.6V，當(dāng)通以額定電流I2=16.7A時(shí)，次級(jí)輸出電壓為U2=11.8V，按式（2）計(jì)算電壓調(diào)整率為

()

表4環(huán)形變壓器空載特性測(cè)量數(shù)據(jù)表交流輸入電壓U1/V空載電流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

環(huán)形變壓器及其應(yīng)用

圖9環(huán)形變壓器空載特性曲線

圖8空載特性測(cè)量電路

ΔU=×100％==6.4％
變壓器電壓調(diào)整率達(dá)到ΔU7％的指標(biāo)。

7．3溫升試驗(yàn)

用電阻法對(duì)變壓器繞組進(jìn)行溫升試驗(yàn)，在通電4h變壓器溫升穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試，并按式（12）計(jì)算繞組平均溫升Δτm。Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）

測(cè)量的數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果列于表5

表5200VA環(huán)形變壓器溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)繞組類別測(cè)冷阻（r1）時(shí)的環(huán)境溫度t1/℃測(cè)熱阻（r2）時(shí)的環(huán)境溫度t2/℃t1時(shí)繞組電阻r1/Ωt2時(shí)繞組電阻r2/Ω常數(shù)k繞組平均溫升Δτ/℃
初級(jí)34.835.55.2755.958234.534.2
次級(jí)34.835.50.018520.0208234.532.5
從溫升試驗(yàn)結(jié)果看出所設(shè)計(jì)的變壓器已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)型溫升標(biāo)準(zhǔn)，即Δτm40℃，初次級(jí)繞組溫升基本相等，即兩繞組功耗較均衡。

7．4絕緣性能試驗(yàn)

1）絕緣電阻

用500V搖表測(cè)試絕緣電阻，初次級(jí)繞組之間的絕緣電阻在常態(tài)下均大于100MΩ。

2）抗電強(qiáng)度

變壓器初級(jí)與次級(jí)繞組之間能承受50Hz，4000V（有效值）電壓1min，而無(wú)擊穿和飛弧。限定漏電流為1mA，此項(xiàng)試驗(yàn)證明變壓器的抗電強(qiáng)度達(dá)到IEC標(biāo)準(zhǔn)。

8結(jié)語(yǔ)

環(huán)形變壓器以其優(yōu)良的性能和有競(jìng)爭(zhēng)力的性能價(jià)格比，可以預(yù)期它會(huì)在較大領(lǐng)域內(nèi)取代傳統(tǒng)的疊片式變壓器，隨著環(huán)形變壓器技術(shù)性能進(jìn)一步提高，它將會(huì)在電子變壓器領(lǐng)域中有更廣闊的應(yīng)用前景。