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1、變壓器原理和常識 作者：power 来源：网络 点击： 556 日期：2007-09-04 變壓器的功能主要有:電壓變換、阻抗變換、隔離、穩壓 (磁飽和變壓器)等. 基本工作原理 當一個正弦交流電壓 U1 加在初級線圈兩端時,導線中就有電流 I1 並產生交變磁通 1,它沿著鐵心穿過初級線圈和次級線圈形成閉合的磁路,在次級線圈中感應出互感電勢 U2,同時 1也會在初級線圈上感應出一個自感電勢 E1,E1 的方向與所加電壓 U1 方向相反而幅度相近,從而限制了 I1 的大小.為了保持磁通1的存在就需要有一定的電能消耗,並且變壓器本身也有一定的損耗,儘管此時次級沒接負載,初級線圈中仍有一定的電流,這
2、個電流我們稱為“空載電流”. 如果次級接上負載,次級線圈就產生電流 I2,並因此而產生磁通 2,2的方向與 1相反,起了互相抵消的作用,使鐵心中總的磁通量有所減少,從而使初級自感電壓 E1 減少,其結果使 I1 增大,可見初級電流與次級負載有密切關係.當次級負載電流加大時 I1 增加,1 也增加,並且 1增加部分正好補充了被 2所抵消的那部分磁通,以保持鐵心裏總磁通量不變.如果不考慮變壓器的損耗,可以認為一個理想的變壓器次級負載消耗的功率也就是初級從電源取得的電功率.變壓器能根據需要通過改變次級線圈的圈數而改變次級電壓,但是不能改變允許負載消耗的功率. 變壓器的損耗 當變壓器的初級繞組通電後,
3、線圈所產生的磁通在鐵心流動,因為鐵心本身也是導體,在垂直於磁力線的平面上就會感應電勢,這個電勢在鐵心的斷面上形成閉合回路並產生電流,好象一個旋渦所以稱為“渦流”.這個“渦流”使變壓器的損耗增加,並且使變壓器的鐵心發熱變壓器的溫升增加.由“渦流”所產生的損耗我們稱為“鐵損”.另外要繞制變壓器需要用大量的銅線,這些銅導線存在著電阻,電流流過時這電阻會消耗一定的功率,這部分損耗往往變成熱量而消耗,我們稱這種損耗為“銅損”.所以變壓器的溫升主要由鐵損和銅損產生的. 由於變壓器存在著鐵損與銅損,所以它的輸出功率永遠小於輸入功率,為此我們引入了一個效率的參數來對此進行描述,=輸出功率/輸入功率. 變壓器的
4、材料 1、鐵心材料 變壓器使用的鐵心材料主要有鐵片、低矽片,高矽片,的鋼片中加入矽能降低鋼片的導電性,增加電阻率,它可減少渦流,使其損耗減少.我們通常稱為加了矽的鋼片為矽鋼片,變壓器的品質所用的矽鋼片的品質有很大的關係,矽鋼片的品質通常用磁通密度 B 來表示,一般黑鐵片的 B 值為 6000-8000、低矽片為 9000-11000,高矽片為 12000-16000, 鐵心形狀一般有 E 型和 C 型鐵心. 2、繞線材料 有漆包線,沙包線,絲包線等.對於導線的要求,是導電性能好,絕緣漆層有足夠耐熱性能,並且要有一定的耐腐蝕能力.一般情況下最好用 Q2 型號的高強度的聚脂漆包線 . 3、絕緣材料
5、 在繞制變壓器中,線圈框架層間的隔離、繞阻間的隔離,均要使用絕緣材料,一般的變壓器框架材料可用酚醛紙板製作,層間可用聚脂薄膜或電話紙作隔離,繞阻間可用黃臘布作隔離. 4、浸漬材料: 變壓器繞制好後,還要過最後一道工序,就是浸漬絕緣漆,它能增強變壓器的機械強度、提高絕緣性能、延長使用壽命,一般情況下,可採用甲酚清漆作為浸漬材料.磁性材料: 概述:磁性是物質的基本屬性之一.磁性現象是與各種形式的電荷運動相關聯的 ,由於物質內部的電子運動和自旋會產生一定大小的磁場,因而產生磁性.一切物質都具有磁性.自然界的按磁性的不同可以分為順磁性物質,抗磁性物質,鐵磁性物質,反鐵磁性物質,以及亞鐵磁性物質,其中鐵
6、磁性物質和亞鐵磁性物質屬於強磁性物質,通常將這兩類物質統稱為磁性材料. 磁性材料的分類,性能特點和用途: 1 鐵氧體磁性材料,一般是指氧化鐵和其他金屬氧化物的符合氧化物.他們大多具有亞鐵磁性. 特點:電阻率遠比金屬高,約為 1-10(12 次方)歐/釐米,因此渦損和趨膚效應小 ,適於高頻使用.飽和磁化強度低,不適合高磁密度場合使用.居裏溫度比較低. 2 鐵磁性材料:指具有鐵磁性的材料.例如鐵鎳鈷及其合金 , 某些稀土元素的合金.在居裏溫度以下,加外磁時材料具有較大的磁化強度. 3 亞鐵磁性材料:指具有亞鐵磁性的材料,例如各種鐵氧體 ,在奈爾溫度以下,加外磁時材料具有較大的磁化強度. 4 永磁材
7、料:磁體被磁化厚去除外磁場仍具有較強的磁性 ,特點是矯頑力高和磁能積大.可分為三類,金屬永磁,例,鋁鎳鈷,稀土鈷,銣鐵硼等. 鐵氧體永磁,例,鋇鐵氧體,鍶鐵氧體,其他永磁,如塑膠等. 5 軟磁材料:容易磁化和退磁的材料.錳鋅鐵氧體軟磁材料 ,其工作頻率在 1K-10M 之間.鎳鋅鐵氧體軟磁材料,工作頻率一般在 1-300MHZ 金屬軟磁材料:同鐵氧體相比具有高飽和磁感應強度和低的矯頑力 ,例如工程純鐵, 鐵鋁合金, 鐵鈷合金,鐵鎳合金等,常用於變壓器等. 術語: 1 飽和磁感應強度:(飽和磁通密度)磁性體被磁化到飽和狀態時的磁感應強度.在實際應用中, 飽和磁感應強度往往是指某一指定磁場(基本上
8、達到磁飽和時的磁場)下的磁感應強度. 2 剩磁感應強度:從磁性體的飽和狀態,把磁場(包括自退磁場 )單調的減小到 0 的磁感應強度. 3 磁通密度矯頑力, 他是從磁性體的飽和磁化狀態,沿飽和磁滯回線單調改變磁場強度, 使磁感應強度B 減小到 0 時的磁感應強度. 4 內稟矯頑力:從磁性體的飽和磁化狀態使磁化強度 M 減小到 0 的磁場強度. 5 磁能積:在永磁體的退磁曲線上的任意點的磁感應強度和磁場強度的乘積 . 6 起始磁導率:磁性體在磁中性狀態下磁導率的極限值 . 7 損耗角正切:他是串聯複數磁導率的虛數部分與實數部分的比值 ,其物理意義為磁性材料在交變磁場的每週期中,損耗能量與儲存能量的
9、 2 派之比. 8 比損耗角正切:這是材料的損耗角正切與起始導磁率的比值 . 9 溫度係數:在兩個給定溫度之間,被測的變化量除以溫度變化量 . 10 磁導率的比溫度係數:磁導率的溫度係數與磁導率的比值 . 11 居裏溫度:在此溫度上, 自發磁化強度為零, 即鐵磁性材料 (或亞磁性材料)由鐵磁狀態(或亞鐵磁狀態)轉變為順磁狀態的臨界溫度. 磁性材料的命名方法: 由 4 部分組成: 1 材料類別:以中文拼音的第一個字母表示,R軟磁,Y 永磁, X -旋磁,J- 矩磁,A-壓磁. 2 材料的性能,用數位表示.3 材料的特徵以中文拼音表示. 4 序號. 第三部分的特徵代號:(僅限於軟磁材料) Q高 Q
10、 B高 BS U寬溫度範圍 X小溫度係數 H低磁滯損耗 F高使用頻率 D高密度 T高居裏溫度 Z正小溫度係數 鐵氧體零件的命名方法: 1 零件的用途和形狀,以拼音或英文表示. 2 區別第一部分相同而形狀不同的零件,以中文拼音字母表示. 3 零件的規格,以零件的特徵尺寸或序號表示. 4 材料牌號, 零件的等級或使用範圍. 磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質混合壓制而成的一種軟磁材料.由於鐵磁性顆粒很小(高頻下使用的為0.55 微米),又被非磁性電絕緣膜物質隔開,因此,一方面可以隔絕渦流,材料適用於較高頻率; 另一方面由於顆粒之間的間隙效應,導致材料具有低導磁率及恒導磁特性;又由於顆粒尺寸小,基本上不
11、發生集膚現象,磁導率隨頻率的變化也就較為穩定.主要用於高頻電感.磁粉芯的磁電性能主要取決於粉粒材料的導磁率、粉粒的大小和形狀、它們的填充係數、絕緣介質的含量、成型壓力及熱處理工藝等. 常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵矽鋁粉芯三種. 磁芯的有效磁導率 e 及電感的計算公式為 : e = DL/4N2S 109 其中:D 為磁芯平均直徑(cm),L 為電感量(享 ),N 為繞線匝數 ,S 為磁芯有效截面積(cm2).常用鐵粉芯是由碳基鐵磁粉及樹脂碳基鐵磁粉構成.在粉芯中價格最低.飽和磁感應強度值在 1.4T 左右 ;磁導率範圍從 22100;初始磁導率 i 隨頻率的變化穩定性好; 直流電流疊
12、加性能好;但高頻下損耗高. 鐵粉芯是磁性材料四氧化三鐵的通俗說法,主要應用於電器回路中解決電磁相容性(EMC)問題.實際應用時,根據不同波段下對濾波要求不同會添加各種不同的其他物質(一般為企業機密). 電磁相容是指電器回路中由於各種不同原因產生的雜波,這些雜波不僅對電器回路的正常運轉有妨害,而且其輻射對人體有一定害處.所以各國(尤其是歐盟)對此有各種規定,即電磁相容性(EMC). 電線上面的雜波主要通過磁環來解決其電磁相容性問題.當一定波段的雜波通過磁環時,磁環的電磁特性導致這一波段的電流被轉化為磁力以及部分熱量從而被消耗掉.來達到降低雜波的目的. 磁環的材料目前比較多的是鐵粉芯(價格低廉,應
13、用廣泛),高級的還有稀土材料等. 實驗表明,任何物質在外磁場中都能夠或多或少地被磁化,只是磁化的程度不同根據物質在外磁場中表現出的特性,物質可粗略地分為三類:順磁性物質,抗磁性物質 ,鐵磁性物質 根據分子電流假說,物質在磁場中應該表現出大體相似的特性,但在此告訴我們物質在外磁場中的特性差別很大這反映了分子電流假說的局限性實際上,各種物質的微觀結構是有差異的,這種物質結構的差異性是物質磁性差異的原因 我們把順磁性物質和抗磁性物質稱為弱磁性物質部鐵磁性物質稱為強磁性物質通常所說的磁性材料是指強磁性物質磁性材料按磁化後去磁的難易可分為軟磁性材料和硬磁性材料磁化後容易去掉磁性的物質叫軟磁性材料,不容易
14、去碰的物質叫硬磁性材料一般來講軟磁性材料剩磁較小硬磁性材料剩磁較大 磁性材料按化學成份分,常見的有兩大類:金屬磁性材料和鐵氧體鐵氧體是以氧化鐵為主要成分的磁性氧化物軟磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁適用於需要反復磁化的場合可以用來製造半導體收音機的天線磁棒、答錄機的磁頭、電子電腦中的記憶元件,以及變壓器、交流發電機、電磁鐵和各種高頻元件的鐵芯等常見的金屬軟磁性材料有軟鐵、矽鋼、鎳鐵合金等,常見的軟磁鐵氧體有錳鋅鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等硬磁性材料的剩磁強,而且不易退磁,適合製成永磁鐵,應用在磁電式儀錶、揚聲器、話筒、永磁電機等電器設備中常見的金屬硬磁性材料有碳鋼、鎢鋼、鋁鎳鈷合金等,常見的硬磁鐵氧體為
15、鋇鐵氧體和鋸鐵氧體 Saturation (CoEv) 飽和 當磁化力(H) 增加時,如果磁性材料中的磁通密度 (B)沒有相應地隨之增加,這時稱作飽和.飽和與磁芯的磁性有關.每種材料都只能儲存一定數量的磁通密度.超出這個磁通密度,磁芯的導磁率將急遽下降,結果導致電感量下降. Saturation (Raychem) 飽和 在磁性材料能夠存在的最大磁通量. Saturation Flux Density 飽和磁通密度 磁性材料飽和時的磁通磁度. Saturation Current (CoEv) 飽和電流 在電感器中流過的直流偏置電流,和沒有直流偏置電流時的電感量相比較,它會引起電感量下降一個規
16、定的數值.在用於儲能的情況下,對於鐵氧體磁芯規定這個數值是下降 10%,對於鐵粉磁芯則規定這個數值是下降 20%. Saturation Current (Raychem) 飽和電流 在電感器中流過、引起電感量下降一個規定數量的直流偏置電流.電感量下降的數量是從直流電流為零時的電感量開始計算.通常電感量下降的數量規定為 1%和 20%.鐵氧體磁心的電感量下降規定為 10%,用於儲存能量的粉末磁心的電感量下降規定為 20%.直流偏置電流之所以會引起電感下降是與磁心的磁性有關.磁心和磁心周圍的空間只能存儲一定量的磁能.超出磁通密度最大點以後,磁心的導磁率降低.因此,電感隨之下降.空心電感並不存在磁心飽和的問題. 電感值跟導磁率成正比, 導磁率=B/H B 是磁通密度 H 是磁場強度 B 跟 H 不懂沒關係,再簡單一點說,B 場就是簡單的我們實實在在感覺到的磁場,只要 B 不等
