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1、變壓器,概述,變壓器的最基本型式，包括兩組繞有導線之線圈，並且彼此以電感方式稱合一起。當一交流電流(具有某一已知頻率)流於其中之一組線圈時，於另一組線圈中將感應出具有相同頻率之交流電壓，而感應的電壓大小取決於兩線圈耦合及磁交感之程度。 一般指連接交流電源的線圈稱之為一次線圈(Primary);而跨於此線圈的電壓稱之為一次電壓.。在二次線圈(Secondary)的感應電壓可能大於或小於一次電壓，是由一次線圈與二次線圈問的匝數比所決定的。因此，變壓器區分為升壓與降壓變壓器兩種。 大部份的變壓器均有固定的鐵心，其上繞有一次與二次的線圈。基於鐵材的高導磁性，大部份磁通量局限在鐵心裡，因此，兩組線圈藉此
2、可以獲得相當高程度之磁耦合。在一些變壓器中，線圈與鐵心二者間緊密地結合，其一次與二次電壓的比值幾乎與二者之線圈匝數比相同。因此，變壓器之匝數比，一般可作為變壓器升壓或降壓的參考指標。 電子變壓器除了體積較小外，在電力變壓器與電子變壓器二者之間，並沒有明確的分界線。一般提供6OHz電力網路之電源均非常龐大，它可能是涵蓋有半個洲地區那般大的容量。電子裝置的電力限製，通常受限於整流、放大，與系統其他組件的能力，其中有些部份屬放大電力者，但如與電力系統發電能力相比較，它仍然歸屬於小電力之範圍。,概述,各種電子裝備常用到變壓器，理由是：提供各種電壓階層確保系統正常操作;提供系統中以不同電位操作部份得以電
3、氣隔離;對交流電流提供高阻抗，但對直流則提供低的阻抗;在不同的電位下，維持或修飾波形與頻率響應。阻抗其中之一項重要概念，亦即電子學特性之一，其乃預設一種設備，即當電路元件阻抗係從一階層改變到另外的一個階層時，其間即使用到一種設備-變壓器。 對於電子裝置而言，重量和空間通常是一項努力追求之目標，至於效率、安全性與可靠性，更是重要的考慮因素。變壓器除了能夠在一個系統裡佔有顯著百分比的重量和空間外，另一方面在可靠性方面，它亦是衡量因數中之一要項。 因為上述與其他應用方面的差別，使得電力變壓器並不適合應用於電子電路上。,變壓器的原理,變壓器的製作原理： 在發電機中，不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過
4、固定線圈，均能在線圈中感應電勢，此兩種情況，磁通的值均不 變，但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動，此為互感應原理.變壓器就是一種利用電磁互感應，變換電壓，電流和阻抗的器件 在電路中，變壓器表示符號為：,變壓器的原理,技述參數： 對不同類型的變壓器都有相應的技述要求，可用相應的技述參數表示.如電源變壓器的主要技述參數有：額定功率、額定電壓和電壓比、額定頻率、工作溫度等級、溫升、電壓調整率、絕緣性能和防潮性能，對於一般低頻變壓器的主要技述參數是：變壓比、頻率特性、非線性失真、磁屏蔽和靜電屏蔽、效率等. A.電壓比： 變壓器兩組線圈圈數分別為N1和N2，N1為初級，N2為次級.在初級線圈上加一交流電壓
5、，在次級線圈兩端就會產生感應電動勢.當N2N1時，其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器稱為升壓變壓器：當N2N2，V1V2，該變壓器為降壓變壓器.反之則為升壓變壓器.,變壓器的原理,B.變壓器的效率： 在額定功率時，變壓器的輸出功率和輸入功率的比值，叫做變壓器的效率，即 = (P2 P1) x100%，式中為變壓器的效率;P1為輸入功率，P2為輸出功率. 當變壓器的輸出功率P2等於輸入功率P1時，效率等於100%，變壓器將不產生任何損耗.但實際上這種變壓器是沒有的.變壓器傳輸電能時總要產生損耗，這種損耗主要有銅損和鐵損. 銅損是指變壓器線圈電阻所引起的損耗.當電流通過線圈電阻發熱時
6、，一部分電能就轉變為熱能而損耗.由於線圈一般都由帶絕緣的銅線纏繞而成，因此稱為銅損. 變壓器的鐵損包括兩個方面.一是磁滯損耗，當交流電流通過變壓器時，通過變壓器的磁力線其方向和大小隨之變化，使得內部分子相互摩擦，放出熱能，從而損耗了一部分電能，這便是磁滯損耗. 另一是渦流損耗，當變壓器工作時.鐵芯中有磁力線穿過，在與磁力線垂直的平面上就會產生感應電流，由于此電流自成閉合回路形成環流，且成旋渦狀，故稱為渦流.渦流的存在使鐵芯發熱，消耗能量，這種損耗稱為渦流損耗. 變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高.反之，功率越小，效率也就越低.,開關電源功
7、率變壓器的設計方法,雙極性開關電源變壓器的計算 設計前應確定下列基本條件： 電路形式,開關工作頻率,變壓器輸入電壓幅值,開關功率管最大導通時間,變壓器輸出電壓電流,輸出側整流電路形式，對漏感及分佈電容的要求，工作環境條件等。 1）確定磁心尺寸 2）計算繞組匝數 3）選擇繞組導線 4）損耗計算 5）溫升計算,確定磁心尺寸,1）求變壓器計算功率Pt Pt的大小取決於變壓器輸出功率及輸出側整流電路形式： 全橋電路，橋式整流：Pt = (11/n)Po 半橋電路，雙半波整流：Pt 推挽電路，雙半波整流：Pt 式中：Po=VoIo，直流輸出功率。Pt可在（22.8）Po範圍內變化，Po及Pt均以瓦（W）
8、爲單位。n=N1/N2,變壓匝數比 2）確定磁通密度Bm Bm與磁心的材料、結構形式及工作頻率等因素有關，又要考慮溫升及磁心不飽和等要求。對於鐵氧體磁心多採用0.3T（特斯拉）左右 3）計算磁心面積乘積Sp Sp等於磁心截面積Sc（cm2）及窗口截面積So（cm2）的乘積，即 Sp=ScSo=(Pt104)/4BmfKwKj1.16(cm4) 式中： Kw視窗占空係數，與導線粗細、繞制工藝及漏感和分佈電容的要求等有關。一般低壓電源變壓器取Kw=0.20.4 Kj電流密度係數，與鐵心形式、溫升要求等有關。對於常用的E型磁心，當溫升要求爲25時，Kj=366；要求50時，Kj=534。環型磁心，當
9、溫升要求爲25時，Kj=250;要求50時，Kj=365 由Sp值選擇適用于或接近於Sp的磁性材料、結構形式和磁心規格,計算繞組匝數,1）一次繞組匝數：N1=(Vp1ton102)/2BmSc(匝) 式中： Vp1一次繞組輸入電壓幅值（V） ton一次繞組輸入電壓脈衝寬度（s） 2）二次繞組匝數：N2=(Vp2N1)/Vp1（匝） Ni=(VpiN1)/Vp1(匝) 式中：Vp2Vpi二次繞組輸出電壓幅值（V）,選擇繞組導線,導線截面積Smi=Ii/j(mm2) 式中： Ii各繞組電流有效值（A） j電流密度 j=KjSp0.14102(A/mm2),損耗計算,1)繞組銅損Pmi=Ii2Rai
10、(W) 式中： Rai各繞組交流電阻（）， Ra=KrRd，Rd導線直流電阻， Kr趨表系數,Kr=(D/2)2/(D), D圓導線直徑（mm），穿透深度（mm）， 圓銅導線 =66.1/f0.5（f：電流頻率，Hz） 變壓器爲多繞組時，總銅損爲Pm=Ii2Rai(W) 2)磁心損耗Pc=PcoGc 式中： Pco在工作頻率及工作磁通密度情況下單位質量的磁心損耗（W/kg） Gc磁心質量（kg） 3)變壓器總損耗Pz=PmPc（W）,溫升計算 熱電偶法,熱電偶法 目前可採用DR030數位溫度巡迴檢測儀來測量變壓器溫升。測試時可用膠布或用塗料(氧化鋁+溶劑)將熱電偶絲粘貼在變壓器被測部位上。貼好
11、熱電偶後,受試變壓器加上負載,接通電源,待熱穩定或4h後測量其溫升,溫升計算 電阻法,首先在變壓器加負載並接通電源前,應先測量變壓器的冷態電阻R1, 然後,給變壓器加上負載並接通電源,4h或熱穩定後,斷開電源,立即測量變壓器各線包的熱態電阻R2,由以下公式計算出變壓器的溫升: t=R2-R1R1(234.5+t1)-( t2- t1) R1:試驗開始時的阻值() R2: 試驗結束時的阻值() t1: :試驗開始時的室溫() t2: 試驗結束時的室溫(),實驗結果,1:採用望王字形個骨架的變壓器和採用抽屜式骨架的變壓器,它們的初級溫升都高於次級溫升。(王字形骨架的變壓器初次級溫升相差2-4,抽屜
12、式骨架的變壓器初次級溫升相差5左右)。 2:採用王字形骨架的變壓器用熱電偶法和電阻法測出的變壓器溫升非常接近。 3:採用抽屜式骨架的變壓器，用電阻法測出的變壓器初級溫升要高於用熱電偶法測出的變壓器初級溫升近6左右，而用兩種方法測出的變壓器次級溫升結果則非常接近。 對於上述第一種情況,可以這樣理解:由於變壓器線包的溫升是由於變壓器線包的銅耗Pm引起的, 變壓器的銅耗Pm所産生的熱量一部分爲線包本身所吸收,另一部分則通過變壓器的表面以輻射、對流及傳導等方式散發到周圍介質中去,最終達到熱平衡。 在達到熱平衡時,由於變壓器初級線包所産生的銅耗Pm大,所産生的熱量也大,所以其溫升要高於次級溫升。當然,上
13、述結果有它的局限性,不同結構的變壓器或變壓器在不同的設備中産生的溫升會有差異。 對於上述第二.三種情況,用電阻法測出的變壓器線包溫升一般要略高於用熱點偶法測出的溫升值。這說明用電阻法測出的變壓器線包溫升值更接近于變壓器實際溫升。至於用 兩種方法測出的變壓器溫升值的差異程度，則和變壓器所採用的材料.變壓器的結構以及我們在測量溫升時的布點位置（用熱電偶法）和測量速度有關。,結論,在實際測量變壓器溫升時，建議： 一、盡可能採用電阻法來測量變壓器的溫升。 二、在用電阻法測量變壓器線包溫升時, 盡可能選用初級線包。 在用熱電偶法測量變壓器線包溫升時,應將熱電偶頭盡可能置於變壓器外層壓敏膠帶和外層繞組間,
14、儘量減小測量誤差。在用電阻法測量變壓器線包溫升時,建議在變壓器繞組的引線腳和所選用的測量儀器間加一通斷開關,以在最短的時間內測出變壓器線包的直流銅阻值。,設計常見錯誤概念辨析,1）填滿磁芯窗口優化的設計 2）“鐵損=銅損”優化的變壓器設計 3）漏感=1的磁化電感 4）漏感與磁芯磁導率有關係 5）變壓器繞組電流密度的優化值爲2A/mm23.1A/mm2 6）原邊繞組損耗=副邊繞組損耗”優化的變壓器設計 7）繞組直徑小於穿透深度高頻損耗就會很小 8）正激式電路中變壓器的開路諧振頻率必須比開關頻率高得多,填滿磁芯窗口,很多電源設計人員認爲在高頻磁性元件設計中，填滿磁芯視窗可以獲得最優設計，其實不然。
15、在多例高頻變壓器和電感的設計中，我們可以發現多增加一層或幾層繞組，或採用更大線徑的漆包線，不但不能獲得優化的效果，反而會因爲繞線中的鄰近效應而增大繞組總損耗。因此在高頻磁性元件設計中，即使繞線沒把鐵芯窗口繞滿，只繞滿了視窗面積的25，也沒有關係。不必非得想法設法填滿整個窗口面積。 這種錯誤概念主要是受工頻磁性元件設計的影響。在工頻變壓器設計中，強調鐵芯和繞組的整體性，因而不希望鐵芯與繞組中間有間隙，一般都設計成繞組填滿整個窗口，從而保證其機械穩定性。但高頻磁性元件設計並沒有這個要求。,“鐵損=銅損”,很多電源設計者，甚至在很多磁性元件設計參考書中都把“鐵損=銅損”列爲高頻變壓器優化設計的標準之
16、一，其實不然。在高頻變壓器的設計中，鐵損和銅損可以相差較大，有時兩者差別甚至可以達到一個數量級之大，但這並不代表該高頻變壓器設計不好。 這種錯誤概念也是受工頻變壓器設計的影響。工頻變壓器往往因爲繞組匝數較多，所占面積較大，因而從熱穩定、熱均勻角度出發，得出“鐵損=銅損”這一經驗設計規則。但對於高頻變壓器，採用非常細的漆包線作爲繞組，這一經驗法則並不成立。在開關電源高頻變壓器設計中，確定優化設計有很多因素，而“鐵損=銅損”其實是最少受關注的一個方面。,漏感=1的磁化電感,很多電源設計者在設計好磁性元件後，把相關的技術要求提交給變壓器製作廠家時，往往要對漏感大小要求進行說明。在很多技術單上，標注著“漏感=1的磁化電感”或“漏感2的磁化電感”等類似的技術要求。其實這種寫法或設計標準很不專業。電源設計者應當根據電路正常工作要求,對所能接
