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2018-7-13 09:24:10 1523

电源中变压器的要求和技术参数

1 前言
电源中一般都含有软磁铁心组成的电磁器件。按照比较广义的说法，在电子设备和电子电路中的电磁器件，都叫做电子变压器。电源中变压器或电磁器件，绝大多数属于电子变压器。但是，有的电源中，变压器还具有耐高压的绝缘要求。例如：大容量直流电源和大容量不间断电源，整流变压器不从一般的380V或220V输入，而从10KV或6.3KV输入，与一般电子变压器有很大差别，而与电力变压器更相似一些。所以，本文讨论的电源中的变压器，既包括电子变压器，又涉及电力变压器。
本文讨论电源中变压器的要求和技术参数，以及它们与铁心材料和导电材料之间的关系，是为了更深入理解另外两篇文章“变压器铁心材料的近期动向”和“变压器导电材料的近期动向”中所介绍的内容，从而使三篇文章形成有机的整体。编写这三篇文章的目的是希望通过了解铁心材料和导电材料的近期动向，更好的把握电源中变压器的发展趋势，供电源行业、电子变压器行业、电力变压器行业的朋友们参考。如有错误之处，敬请指正。
2 一般要求
电源中的变压器，作为一种商品的产品，总的要求是在具体使用条件下完成具体的功能中，追求性能价格比最高。从总要求出发，提出四点一般要求：使用条件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技术性能，又包括经济指标。
2.1使用条件
电源中的变压器的使用条件，包括使用可靠性和使用电磁兼容性。
使用可靠性是指在具体的使用条件下，变压器能正常工作到使用寿命为止。使用条件中对变压器影响最大的是环境温度。决定铁心材料受温度影响强度的是居里点。铁心材料居里点高，受温度影响小，铁心材料居里点低，受温度影响大。MnZn软磁铁氧体居里点一般只有215℃，比较低，磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化。除正常温度25℃而外，还要给出60℃、80℃、100℃时的各种参数数据，MnZn铁氧体制成的铁心，一般工作温度限制在100℃以下，也就是在环境温度40℃时，温升只允许低于60℃。钴基非晶合金的居里点为205℃，也低，使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370℃，可以在150℃—180℃以下使用。铁基纳米晶合金的居里点为600℃，硅钢的居里点为730℃，可以在300℃以下使用。
决定导电材料工作温度的不是铜导线，而是外包绝缘材料的耐热等级。例如QZ聚酯漆包线，耐热等级为B级，最高温度为130℃。QY聚酰亚胺漆包线，耐热等级为C级，最高工作温度为220℃。
使用电磁兼容性是指变压器既不产生对外界的电磁*，又能承受外界的电磁*。电磁*包括可听见的音频嗓声和听不见的高频噪声。变压器产生电磁*的主要原因是铁心的磁致伸缩，磁致伸缩系数大的铁心材料，产生的电磁*大。铁基非晶合金的磁致伸缩系数为(27—30)×10-6，最大，用它制作铁心时必须采取减少噪声抑制*的措施，MnZn软磁铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6左右，也容易产生电磁*。3%取向冷轧硅钢磁致伸缩系数为(1-3)×10-6.，铁基纳米晶合金磁致伸缩系数为(0.5-2) ×10-6，比较容易产生电磁*。6.5%无取向硅钢和钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10-6左右，不容易产生电磁*。由铁心材料产生的电磁*的频率一般与变压器的工作频率相同，如果有低于或高于工作频率的电磁*，那是由其他原因产生的。导电材料不产生电磁*。由导电材料绕制的线圈有可能产生电磁*，不是由导电材料造成的，而是由导电材料之间的作用和线圈结构造成的。
2.2完成功能
电源中的电磁器件从功能上区分主要有变压器和电感器两种。变压器完成的功能有三个：功率传送、电压变换和绝缘隔离。电感器完成功能有两个：功率传送和纹波抑制，这里不单讨论电源中变压器的完成功能，也讨论电源中电感器的完成功能。
变压器的功率传送是这样完成的：外加在变压器初级绕组上的交变电压，在铁心中产生磁通变化，使次级绕组感应电压，输出给负载，从而使电功率从变压器初级传送给次级。传送功率的大小，决定于感应电压，也就是决定于单位时间内磁通密度变化量△B。△B与磁导率无关，而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。硅钢饱和磁通密度为1.5—2.03T，铁基非晶合金饱和磁通密度为1.58T 左右，铁基纳米晶合金饱和磁通密度为1.2—1.45T，钴基非晶合金饱和磁通密度为0.5—0.8T。MnZn软磁铁氧体饱和磁通密度为0.3—0.5T。作为变压器用铁心材料，硅钢占优势，铁基非晶合金其次，MnZn软磁铁氧体处于劣势。
电感器的功率传送是这样完成的：输入给电感器绕组的电能，使铁心激磁，变为磁能储存起来，然后通过去磁变成电能，释放给负载。传送功率的大小，决定于铁心的储能，也就是决定于电感器的电感量。电感量不直接与饱和磁通密度有关，而与磁导率有关。磁导率高，电感量大，传送能量多，传送功率大。钴基非晶合金磁导率为(1—1.5)×106，铁基纳米晶合金导磁率为(5—8)×105，铁基非晶合金磁导率为(2—4)×105，硅钢磁导率(2—9)×104，MnZn软磁铁氧体磁导率为(1—3)×104。作为电感器用铁心材料，钴基非晶合金和铁基纳米晶合金占优势，硅钢和MnZn软磁铁氧体处于劣势。
传送功率大小，还与单位时间内的传送次数有关，即与变压器和电感器的工作频率有关。工作频率越高，在同样尺寸的铁心和同样匝数的线圈条件下，传送功率越大。
电压变换通过变压器初级和次级线组的匝数比来完成。不管变压器功率传送大小如何，初级和次级绕组的匝数比就等于输入和输出的电压变换比。
绝缘隔离，通过变压器初级和次级绕组的绝缘结构来完成。外加电压和变换电压越高，绝缘结构越复杂。一般电子变压器外加电压小于1kV，绝缘结构比较简单。电力变压器外加电压超过6kV，绝缘结构比较复杂，除了承受工频试验电压而外，还要求承受短时冲击试验电压。
电感器的纹波抑制通过自感电势来实现。只要流过电感器的电流发生变化，线圈在铁心中产生的磁通也会随着发生变化，使电感器线圈两端出现自感电势，其方向与外加电压方向相反，从而阻止电流的变化。纹波的变化频率比工作频率(基本频率)高，因此更能被电感器产生的自感电势抑制。纹波抑制能力决定于自感电势的大小，也就是决定于电感量大小。电感量与铁心材料的磁导率有关，从电感器抑制纹波能力来看，磁导率大的钴基非晶合金和铁基纳米晶合金作为铁心材料比较好，磁导率小的硅钢和MnZn软磁铁氧体作为铁心材料比较差。
2.3提高效率
提高效率是对电源中变压器的一个重要要求，一个原因是由于石油、煤等能源价格上涨，节能成为当代的一个重要任务。许多电子设备，包括电源在内，不单要求考核负载时的能耗，还要求考核待机(接近空载)时的能耗。电源中变压器的损耗是电源待机能耗中的主要部份。另一个原因是电源中变压器数量巨大，虽然从单个电源中变压器来看，损耗只有几瓦，并不多。但是成十万个，成百万个电源中变压器，总损耗可达到几十万瓦，几百万瓦，相当可观。还有，许多电源中变压器一直长期运行，年总损耗决不是一个小数目。因此，电源中变压器必须提高效率，降低损耗成为一个重要要求。
电源中变压器损耗包括铁心损耗和线圈损耗。铁心损耗只要电源中变压器投入运行，一直存在，是变压器空载损耗的主要部分。在设计和制作变压器铁心时，要选择损耗比较低的铁心材料。铁心材料损耗与变压器铁心的工作磁通密度和工作频率有关，因此，铁心材料的损耗必须注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度1.4T和工作频率50HZ下的损耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作频率400HZ下的损耗。P0.25/100K是工作磁通密度0.25T(250mT)和工作频率100kHZ下的损耗。
铁心材料损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，涡流损耗与铁心材料电阻率有关。电阻率越大，涡流损耗越小。MnZn软磁铁氧体电阻率为108—109μΩcm，在高频中涡流损耗小，在电源中的高频变压器中应用占优势，铁基非晶合金电阻率为130——150μΩcm，硅钢电阻率为20—40μΩcm，比MnZn软磁铁氧体小106—107倍，在高频中涡流大。如果要在电源中的高频变压器中应用，必须采取措施，例如减少金属铁心材料的厚度，现在各种工作频率的变压器使用的金属铁心材料的带材厚度一般是：工频50HZ—60HZ用0.50—0.23mm(500—230μm)，中频400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm(200—80μm)，1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm(100-25μm)，中高频20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm(50-15μm),高频100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm(20-5μm)，1MHZ以上用小于5μm。铁基非晶合金由于喷带设备原因，带厚一般为40—25μm，在工频50HZ至中频400HZ—20kHZ时都可使用。用于中高频和高频的铁基纳米晶合金，带厚一般都小于18μm。以前人有认为：铁心的填充系数与金属铁心材料的带厚有关，并且提出一个计算的经验公式，把铁心材料的带厚作为决定铁心填充系数的唯一因数。现在看来，这个计算铁心填充系数的经验公式并不完全成立。因为，铁心填充系数并不只由铁心材料带厚一个因数决定，还受涂层厚度、带材平整度和带材均匀度等其他因数影响。按照经验公式计算，铁基非晶合金带厚25μm时，填充系数达不到0.80，而现在用25μm厚铁基非晶合金带材加工成的变压器铁心，填充系数一般都大于0.86，甚至还达到0.90。
电源中变压器线圈损耗是负载损耗的主要部份。线圈损耗决定于导电材料的电阻率。现在电源中变压器的导电材料绝大多数采用铜。而不用铝，原因就是铜的电阻率小，造成的线圈损耗小，在有些体积小的高频平面变压器和薄膜变压器中，导电材料还采用电阻率更小的金和银。这是因为变压器的体积小，散热面积小，要求线圈损耗更小，才能保证平面变压器和薄膜变压器的线圈温升不会超过规定的允许值。
2.4降低成本
降低成本是电源变压器作为商品的一个重要要求，有时甚至是决定性的要求。因为在商品竞争中性能价格比是产品的主要指标。不注意降低成本，不注意降低价格，往往会在商品竞争中被淘汰。
电源中变压器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在总成本中一般占有40%至60%，是最重要的部份。材料成本中铁心材料和导电材料成本又占80%左右。因此铁心材料和导电材料的市场动向，价格变化情况对电源中变压器成本具有重大影响。降低材料成本，还与设计有关。在设计电源中变压器时，应当根据铁心材料和导电材料的价格，调整变压器的用铁心材料量与用导电材料量的比值(铜铁比)，使材料成本在现有条件下达到最低。现在采用计算机设计电源中变压器时，追求成本最低，应当成为一个主要限制条件。
制造成本也与设计和工艺有关。设计电源中变压器时，不单要考虑铁心材料和导电材料的价格和用量，还要考虑铁心和线圈的结构以及变压器总体结构是否便于加工和装配?需用多少人工工时?需要多少设备和工模具?需要什么检测设备和仪器来控制质量?这些都是变压器设计者应当考虑的。
管理成本决定于人力和财力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工时利用率，减少管理人员和工人的比例等。充分利用财力，是指缩短生产周期，减少库存，加快资金流转等。这些主要由经营管理人员负责。但是与变压器设计者也有关系。如果设计的变压器便于加工和装配，可以缩短生产周期。所用的原材料和配件便于采购，可以减少库存。这些都有利于降低管理成本。
所以，一个好的电源中变压器设计者，除了了解变压器理论和设计方法而外，还要了解铁心材料、导电材料、绝缘材料、结构材料的价格和市场动向，还要了解铁心、线圈和变压器总体加工和装配工艺，还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备，还要了解生产管理知识和变压器市场动向等等。只有知识全面的变压器设计者，才能设计出性能好，价格合式的变压器产品。
3 变压器技术参数
下面分析变压器主要技术参数与铁心材料和导电材料之间的关系。
3.1变压器容量
变压器输入容量W1=U1I1，变压器输出容量W2=U2I2，W2=ηW1，η是变压器效率。
U1是输入电压，也是初级绕组上加的电压U1=2KufN1△BAcKc，Ku是电压波形系数，f是工作频率，N1是初级绕组匝数，△B是铁心中磁通密度变化量，Ac是铁心截面积，铁心截面积乘以铁心的填充系数Kc，是铁心实际截面积。
U2是输出电压，也是次级绕组上的电压，U2=U1N1/N2，由初级绕组与次级绕组的匝数比来决定。
I1是输入电流，也是初级绕组中的电流，I1=Jq1，J是电流密度，q1是初级绕组导线截面积。
W1=U1I1=2KufN1△BAkc×Jq1=2Kuf△BJAckcN1q1
N1q1是初级绕组所占窗口面积。设次级绕组所占窗口面积和效率η相当，则总窗口面积，A0=(1+η)N1q1/k0，k0是窗口的填充系数。N1q1=A0kO/(1+η)。
W1=2Kuf△BJAckc A0kO/(1+η)。
l 铁心材料重量Gc=kcAclcδc，lc是平均磁路长度。kcAc=Gc/lcδc。
导电材料重量GN=k0AolNδN，lN是线圈平均匝长。K0AO=GN/lNδN。
(1+η)W1=2KufKc△B K0J 。 (1+η)W1是变压器总容量=W1+W2
从这个公式可以看出，变压器总容量与铁心材料的关系连涉到三个参数：铁心中磁通变化量△B，铁心材料重量Gc，平均磁路长度lc，变压器总容量与导电材料的关系也牵涉到三个参数：电流密度J，导电材料重量GN，线圈平均匝长lN。另外，铁心材料密度δc和导电材料密度δN也有影响。
其中△B是铁心中磁通变化量，一般对单方向激磁变压器，△B=Bm-Br，对双方向激磁变压器，△B=2Bm。选取Bm时，不单要考虑铁心材料的饱和磁通密度，还要考虑铁心材料在工作频率f下的损耗。
J是导线的电流密度，决定于导电材料外包绝缘耐热等级，也就是允许温升，在选取了J时，还要考虑变压器的散热条件。
3.2效率和损耗
变压器效率η=P2/P1，P2是输出功率，P1是输入功率。
P1=P2+Pk，η=P2/P2+PK=1- =1- PK是负载损耗，PK=PO+PN，PO是空载损耗，也就是铁心损耗。PN是线圈损耗。
铁心损耗P0=PC(T/HZ)GC，PC(T/H2)是在一定磁通密度T和一定工作频率HZ下的单位重量铁心损耗。可以自己进行测试，或者由铁心材料生产单位提供测试数据。除了MnZn软磁铁氧体的PC受温度影响比较大而外，其他金属铁心材料的单位重量损耗PC与温度无关。总的铁心损耗与铁心单位重量损耗PC和铁心重量GC成正比。
线圈损耗PN=I12r1+I22r2，r1是初级绕组电阻，r2是次级绕组电阻，都会受温度影响，必须说明是在什么温度下的线圈损耗和负载损耗。例如对A级绝缘的线圈，要给出75℃温度下的线圈损耗和负载损耗。
绕组电阻r1=ρlN1N1/q1，r2=ρlN2N2/q2，ρ是导电材料电阻率，lN1，lN2是初级绕组和次级绕组平均匝长，q1 q2是初级绕组和次级绕组导线截面积。
电流I1=Jq1，I2=Jq2，假定初级绕组和次级绕组导线电流密度都一样为J。
PN=I12r1+I22r2=J2q12ρlN1N1/q1+ J2q22ρlN2N2/q2=J2ρ(lN1N1q1+lN2N2q2)=J2ρGN/δN，GN是线圈导电材料重量，δN是导电材料密度。
从公式看出，线圈损耗与导电材料的电阻率ρ、所取的电流密度J的平方和线圈导电材料重量GN成正比,和导电材料密度δN成反比。
值得注意的是，变压器的工作磁通密度受铁心损耗的限制，因为单位重量铁心损耗Pc是在一定磁通密度下测试数值的，如果工作磁通密度与测试时的磁通密度不同，要进行调整，或者在工作磁通密度下重新测试。因此，在设计变压器时要注意，不能只根据铁心材料的饱和磁通密度，还要考虑铁心损耗来选取变压器的工作磁通密度。如果选择不当，会造成铁心损耗过大，变压器工作时的温升会超过规定数值。
负载损耗Pk包括空载损耗PO和线圈损耗PN两部分，如果PN远大于PO，负载损耗PK可认为就是线圈损耗。但是在中频和高频变压器中，铁心损耗PC比较大，由它形成的空载损耗PO比较大，有时甚至超过载圈损耗PN，就不可以忽略，而必须同时考虑铁心损耗和线圈损耗。
4 电感器技术参数
4.1电感
电感L=μ0μKc N2
电感L与铁心磁导率μ0μ,铁心填充系数Kc，铁心截面积Ac成正比，与铁心平均磁路长度lc成反比，与线圈匝数平方成正比。为了讨论电感L与铁心之间的关系，一般用电感系数AL=L/N2。
AL=μ0μKcAc/lc=μ0μKcAclc/lc2=μ0μKcGc/lc2δc
电感系数与铁心磁导率μ0μ，铁心填充系数Kc，铁心重量Gc成正比，与铁心平均磁路长度lc的平方、铁心材料密度δc成反比。
4.2电感能量
WL= LIM2，IM是电感线圈中电流的最大值，IM=Jq，J是线圈电流密度，q是导线截面积。
WL= μ0μkc N2J2q2= μ0μ J2 ，GN是导电材料重量，GN=NqlNδN。
从公式看出，电感能量与铁心材料磁导率μ0μ，铁心重量Gc成正比，与铁心平均磁路长度lC的平方和铁心材料密度δc成反比;与导电材料的电流密度J的平方，导电材料重量GN的平方成正比，与线圈的平均匝长lN和导电材料密度δN的平方成反比。
5 结语
从上面介绍的电源中变压器的一般要求，变压器和电感器主要技术参数与铁心材料和导电材料之间关系，可以得出以下几点结论：
(1) 铁心材料作为变压器铁心的主要性能指标是饱和磁通密度和在一定磁通密度、一定工作频率下的单位重量损耗。作为电感器铁心的主要性能指标是磁导率。
导电材料的主要性能指标是允许电流密度和电阻率。
(2) 铁心材料和导电材料用量对变压器和电感器的主要技术参数都有影响，同时也会影响成本等经济指标。
(3) 电源中变压器的一般要求是选用铁心材料和导电材料的主要出发点。在具体设计中应当统筹兼顾技术经济指标，千万不要忘记作为一种商品的产品的总要求，是在具体使用条件下完成具体的功能中，追求性能价格比最高。

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