大功率UV燈用的漏磁變壓器

1　前言

　　在電子行業(yè)，印刷電路板的制作要用光固化油墨，常用UV紫外線光固化機(jī)，通過傳送帶使物件通過紫外線強(qiáng)光照射，促使光致抗蝕劑或光敏漆快速固化，且UV燈產(chǎn)生很高的熱量將油墨烘干。完全固化后的膜層表面應(yīng)平滑、硬度較高。UV光固化機(jī)的光源，常裝有3支5kW的大功率高壓紫外線燈，光固化速度約為每分鐘3米。涂有光致抗蝕劑的印刷電路板，在UV光固化機(jī)的傳送帶上，通過3支紫外線燈的照射后，光致抗蝕劑就被固化，從而達(dá)到加工的目的。

　　UV紫外線燈是氣體放電燈，在石英燈管中充以高壓水銀蒸氣，它的供電方式以采用漏磁變壓器為主，當(dāng)UV燈起輝后，必須限制通過燈管的電流，大功率UV燈管有5kW、7.5kW和10kW等幾種，燈管兩端的電壓約有1kV。UV燈用的漏磁變壓器有隔離式和自耦式兩種，其電原理如圖1和圖2所示。

　　2　UV燈漏磁變壓器的結(jié)構(gòu)

　　
　　圖1隔離式變壓器

　　
　　圖2自耦式變壓器

　　2.1　隔離型漏磁變壓器

　　5kW隔離型漏磁變壓器的結(jié)構(gòu)類似于霓虹燈變壓器，中間的兩個繞組為初級繞組，為了適應(yīng)220V或380V電源，初級繞兩個0V－190V－220V相同的繞組，將它們串聯(lián)或并聯(lián)，可適應(yīng)220V、380V或440V的電源電壓，次級電壓為1100V/5A，分繞成兩個繞組，置于初級繞組的兩邊，初、次級繞組之間設(shè)有4個磁分路，將初、次級繞組隔開，當(dāng)變壓器通電時，能起到限流的作用。

　　從圖1可見，次線繞組輸出電路中串聯(lián)一個電容器,再與UV燈管相接，就是一個RLC諧振電路。當(dāng)電源電壓變化時，次級回路還有穩(wěn)壓作用，由于電容器C的存在，也使電路的功率因數(shù)有所提高。

　　圖3自耦式變壓器

　　
　　圖4鐵心尺寸

　　2.2　自耦式UV燈漏磁變壓器

　　圖3為自耦式變壓器結(jié)構(gòu)，采用□字形芯式鐵心，左邊的兩個繞組為初級繞組，右邊的兩個繞組為次級繞組，初、次級繞組之間有磁分路隔開，初、次級繞組相互串聯(lián)后，接成如圖2所示的電路。因此，初級繞組既是輸入回路，又是輸出回路的一部份。

　　自耦式漏磁變壓器的特點(diǎn)是體積小、效率高，但因變壓器的阻抗小，通電開機(jī)時浪涌電流大，為了防止對燈管的沖擊，必須在電路中串聯(lián)一個電抗器，如圖2中的L，以增加回路中的阻抗。

　　3　5kW自耦式漏磁變壓器

　　按圖2所示的電路圖設(shè)計(jì)一臺5kW自耦式UV燈漏磁變壓器，其電氣參數(shù)如下：

　　UV燈管的額定功率：P=5kW

　　燈管電壓：U=1000V

　　燈管電流：I=5A

　　變壓器輸入電壓：U1=380V，f=50Hz

　　變壓器輸出電壓：U2=1170V

　　額定負(fù)載電流：I2=5A

　　絕緣等級：B級（130℃）

　　溫升：Δτm≤80℃(在強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下)

　　耐壓：3000V，10mA，1分鐘

　　計(jì)算步驟如下：

　　1）變壓器容量PT=U2I2=11705=5850VA

　　2）變壓器輸入電流I1由下式求出：

I1=PT/U1=5850/380=15.4(A)

　　3)輸出繞組電流I2=燈管電流=5A

　　4)變壓器輸入端公共部份繞組N1的電流I1′，因輸入電流和輸出電流的方向相反，所以有一部份電流被抵消，故：

I1′=I1－I2=15.4－5=10.4(A)

　　5)繞組N2的電壓U2′

U2′=U2－U1=1170－380=790(V)

　　6)變壓器平均功率P

P=（U1I1′＋U2′I2）/2=（38010.5＋7905）/2=3970(VA)

　　7)求鐵心截面積SC

　　UV燈漏磁變壓器的次級回路工作在RLC諧振狀態(tài)，鐵心處于飽和條件，若采用DW360－50無取向冷軋硅鋼片，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的值可取到約1.5T～1.6T，所以鐵心截面積

　　8)確定鐵心尺寸

　　鐵心截面積SC=abKC=680.95=45.6(?)

　　鐵心磁路長度LC=72cm

　　鐵心重量GC為：

GC=SCLcr10－3=45.6727.710－3=25.3kg

　　9）計(jì)算初級繞組匝數(shù)

N1=U1104/4.44fBSC=380104/4.44501.5545.6=242（t）

　　10)每伏匝數(shù)

TV=N1/U1=242/380=0.637（t/v）

　　11）次級匝數(shù)

N2=1.035U2TV=1.0357900.637=520(t)

　　12）初級導(dǎo)線直徑d1

　　13)次級導(dǎo)線直徑d2

　　14)各繞組排列

　　初級分兩個線包，每個線包用QZ－2.5漆包線繞121t，裝配時串聯(lián)；

　　次級也分兩個線包，每個線包用QZ－2.1漆包線繞260t，裝配時串聯(lián)。

　　4個線包組裝在鐵心上的外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　4　UV燈漏磁變壓器的調(diào)試

　　5kWUV燈漏磁變壓器必須按圖6所示的電路聯(lián)接，并在UV燈點(diǎn)亮?xí)r產(chǎn)生強(qiáng)烈的紫外光線，以防止紫外線灼傷人的皮膚，必須將UV燈管用金屬罩子罩起來，必要時，調(diào)試人員還應(yīng)戴好太陽眼鏡。

　　
　　圖5線包鐵心組裝圖

　　圖6調(diào)試電路圖

　　圖7回路失量圖

　　4.1　開路試驗(yàn)

　　將3相調(diào)壓器的指針調(diào)到0位。斷開漏磁變壓器輸出回路。接通3相調(diào)壓器的380V50Hz電源。逐步調(diào)節(jié)3相調(diào)壓器旋鈕，使漏磁變壓器初級①－②的電壓達(dá)到380V。用鉗形電流表測量輸入空載電流I1達(dá)到2A。用交流電壓表測得次級③－④的電壓為640V，測得①－④的輸出電壓為1020V。將3相調(diào)壓器調(diào)回到0位，切斷電源。

　　4.2　負(fù)載試驗(yàn)

　　按圖6所示電路接上負(fù)載，輸入和輸出均用鉗形電流表表示。接通3相調(diào)節(jié)器的380V50Hz電源。逐步調(diào)節(jié)3相調(diào)壓器，使電壓逐步上升到380V，此時UV燈管也開始發(fā)光，逐步點(diǎn)亮，兩個鉗形表的電流也逐步上升。待5分鐘后，紫外線燈的發(fā)光基本穩(wěn)定，記錄輸入電流I1為15A，輸出電流I2為5.5A。測量各點(diǎn)的電壓，輸入電壓U①－②=380V,輸出電壓U①－④=1170V，電容器兩端電壓UC=1300V,燈管兩端電壓U=920V，電抗器兩端電壓UL=180V。

　　若輸出電流I2的偏差太大，即流過紫外線燈管的電流與額定值偏離太大，可調(diào)整變壓器鐵心中的磁分路片，增減磁分路的厚度，以改變輸出回路的電氣參數(shù)，達(dá)到最佳的數(shù)值。

　　經(jīng)調(diào)整后，必須將主鐵心和磁分路壓緊，以防止在負(fù)載時鐵心會產(chǎn)生振動噪聲，因鐵心處于磁飽和狀態(tài)，所以最好將變壓器整體浸漆、烘干后，變壓器噪聲會大為減小。

　　4.3　電抗器

　　電抗器工作時，兩端的電壓應(yīng)預(yù)先調(diào)整到150V5A，所以當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到5.5A時，兩端的電壓增大到180V，鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)設(shè)計(jì)在IT左右，不應(yīng)太高，否則端電壓升高時，磁通也會增加，鐵心會產(chǎn)生較大的噪聲。

　　4.4　回路各點(diǎn)的電壓、電流矢量

　　回路各點(diǎn)的電壓和電流失量如圖7所示。

　　5　結(jié)論

　　1）自耦式UV燈用的漏磁變壓器的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積比雙圈隔離式的變壓器小，成本低，更有市場競爭力。

　　2）鐵心材料如采用低損耗、冷軋取向高Bs硅鋼片，那么變壓器體積還可進(jìn)一步減小，而銅鐵損耗也相應(yīng)減小，有利于提高效率、節(jié)約能源，是下一步開發(fā)的方向。

　　3）由于漏磁變壓器溫升高，所以在機(jī)箱內(nèi)必須用小風(fēng)扇對變壓器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。也可將對UV燈管吹風(fēng)的鼓風(fēng)機(jī)裝在變壓器旁，借助鼓風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)，使機(jī)箱內(nèi)的空氣加速對流，將變壓器發(fā)出的熱量迅速帶走。