变压器构成及原理27页文档资料.docx

1、变压器构成及原理27页文档资料LM2931的基本应用电路。移圈调压器主绕组和辅助绕组匝数是相等的，组成一次绕组，而且彼此反向串联，使两者所产生的磁通方向相 反，如图50所示，因此要求主绕组为右绕向，辅助绕组为左饶向。我厂1985年4月在生产TDY-250/10单相移圈调压器时，设计图纸把主绕组和辅助绕组全部设计成右绕向，在 套包时被发现。为此采取的变更措施是把辅助绕组上端部引出头h通过包间油道引到下端部当A出头，而把下端部的引出头A也通过包间油道引到上端部当h出头，一台并联的三个单元都做了相同的处理，使设计的错误在制造中造成的影响压缩到最小。 75 相间隔板在产品设计时如何正确应用 （1）该有

2、相间隔板的却没有 在变压器设计书中，对圆筒式高压绕组在外且为角接连线，由于相间电压为线电压，其相间距离要比星接的要大，另外还加2mm厚的相间隔板。 在图纸设计中，有的人能记住这点，但有些人却不了解此要求，按他们图纸干出的产品，其圆筒式角接的高压绕组相间紧靠，而在图纸中却找不到需要的相间隔板。无相间隔板的情况发生多次，但由于相间还隔着几张电缆纸和布带，还能承受住相间感应电压。这种情况在成品试验时还不曾发生相间击穿，所以在后来设计这类产品图纸时相间隔板之物几乎被人遗忘，此事的后果只能降低这类变压器在用户那儿使用的安全系数。 （2）不该有相间隔板的却有 按正常的变压器设计，对圆筒式高压绕组在外且星接

3、的产品，其相间电压很低不必用相间隔板，但在1997年6月生产的S7 -100/35和S7 -50/35均设计有相间隔板。其结果在S7 -50/35工频耐压试验时，电压升到80KV时产品被击穿且成高压匝间，经吊心检查发现，击穿通道是从高压绕组下端部经过与高压绕组紧挨的相间隔板，穿过下铁轭绝缘板对下铁轭击穿，相间隔板下部烧了个浅黑道，下铁轭绝缘板被烧了个小洞。 如果该种变压器没有设计相间隔板，则高压绕组对地绝缘中有相当于相间隔板被击穿距离的2/3油隙和1/3的纸板表面距离。由于油隙耐电强度是纸板表面的3倍，高压绕组原有的对地绝缘耐电强度是相间隔板表面的2倍多，故这种结构的变压器安上相间隔板，就象用

4、耐电强度低的材料把耐电强度高的材料给短接，由此带来不必要地损失。 76 图省料导致接线端子返工 1986年8月我厂购买兄弟单位一套ZHSSPZ-6300/10图纸，本厂设计人员在审图时，觉得原图把变压器箱盖出线端子排设计的太大，改成100*10的端子排，端子排之间的三角连线也改成100*10的铜排，并声称改后成本比原图节省几千元。 该变压器在成都一家碳素厂投产不久，因端子排发热严重、胶垫老化、严重漏油，让本厂去人处理。实践证明原图纸端子排设计尺寸正确，只好按原图纸重新加工端子排、修改箱盖，花费3万余元，修后的地方用户使用至今再没发生端子排严重发热的情况。 当时此台变压器审后生产图下发到车间，车

5、间在读图时就发现铜排100*10作为引线铜排浸在油中冷却通过3550A的电流还可以，但100*10铜排作为端子排在空气中冷却，经查“变压器高压电器和套管的接线端子标准JB1046-67”，单面连接通过的额定电流只为1500A。此事当时虽做反映，但未引起重视，也许当年有些设计人员把油冷却和空气冷却没有区别对待，而引起这个设计失误。 77 SFSZ7 -31500/110设计中的一处错误 （1）情况介绍 1992年4月，某设计人员设计的SFSZ7 -31500/110电力变压器，图纸通过审核、工艺会签等关，在绕线车间绕第一包时设计错误被人发现，经有关部门研究，在原有设计基础上做些修改，现把设计错误

6、及修改情况作一介绍。 （2）线饼内径垫条设计错误及后果此高压绕组匝数排列如图51，线饼内径垫条设计错误见52，由此带来的后果如下： 1）FB-Y7之间及FB-Y1之间中断点绝缘隔板每边的两饼线，按正常设计都有内径垫条，其好处是，一方面增加了中断点之间的距离，另一方面底部“S”弯跨饼都在相等高度上进行，无须爬坡。按图52绕包，一饼跨到另一饼上跨高达23mm，在操作上是不准许的也是不可能的。 2）操作人员在保证图纸上每边只垫一饼垫条，而又使饼间“S”弯跨饼等高，只好使导线与垫条一起爬升，把起电气绝缘作用的23mm厚垫条单纯当作填饼垫条。使中断点承受工作电压为3万伏的FB-Y7之间与承受工作电压为4

7、万伏的FB-Y1之间绝缘距离大为降低。 （3）修改措施 1）原图起绝缘作用的23mm厚垫条只好被当作不起绝缘作用的一般垫条，中断点两边饼的底部“S”弯原图在一档内，现错开两档，其好处能挽回23mm厚垫条绝缘的一小部分，但造成绕组外径局部高，局部低。 2）减少其它饼间垫块用来加大中断点垫块厚度。 （4）本台中断点之间电压及修改后中断点绝缘距离同另一台同结构的SFSZL7 -16000/110相比较见表13。由表13可以看出，SFSZ7 -31500/110虽经努力修改，终因结构已定，它的两个中断点电压虽比SFSZL7-16000/110要高，但中断点之间绝缘距离还是比SFSZL7-16000/1

8、10要短些。此台变压器虽通过试验合格，也在用户那儿运行至今，但是它的耐受过电压冲击先天不足，还是令人担忧的。高频变压器高频链逆变技术用高频变压器代替传统逆变器中笨重的工频变压器，大大减小了逆变器的体积和重量。在高频链的硬件电路设计中，高频变压器是重要的一环。设计高频变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。铁氧体材料是复合氧化物烧结体，电阻率很

9、高，适合高频下使用，但Bs值比较小，常使用在开关电源中。高频变压器的设计通常采用两种方法3：第一种是先求出磁芯窗口面积AW与磁芯有效截面积Ae的乘积AP（AP=AWAe，称磁芯面积乘积），根据AP值，查表找出所需磁性材料之编号；第二种是先求出几何参数，查表找出磁芯编号，再进行设计。注意： 1）设计中，在最大输出功率时，磁芯中的磁感应强度不应达到饱和，以免在大信号时产生失真。2）在瞬变过程中，高频链漏感和分布电容会引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部振荡，使损耗增加，严重时会造成开关管损坏。同时，输出绕组匝数多，层数多时，应考虑分布电容的影响，降低分布电容有利于抑制高频信号对负载的干扰。对同一变压器

10、同时减少分布电容和漏感是困难的，应根据不同的工作要求，保证合适的电容和电感。单片开关电源高频变压器的设计要点高频变压器是单片开关电源的核心部件，鉴于这种高频变压器在设计上有其特殊性，为此专门阐述降低其损耗及抑制音频噪声的方法，可供高频变压器设计人员参考。单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。在19942001年，国际上陆续推出了TOtch、TOtch-、TOtch-FX、TOtch-GX、Tintch、Tintch-等多种系列的单片开关电源产品，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成

11、电路。高频变压器是开关电源中进行能量储存与传输的重要部件，单片开关电源中高频变压器性能的优劣，不仅对电源效率有较大的影响，而且直接关系到电源的其它技术指标和电磁兼容性（EMC）。为此，一个高效率高频变压器应具备直流损耗和交流损耗低、漏感小、绕组本身的分布电容及各绕组之间的耦合电容要小等条件。高频变压器的直流损耗是由线圈的铜损耗造成的。为提高效率，应尽量选择较粗的导线，并取电流密度J=410Amm2。高频变压器的交流损耗是由高频电流的趋肤效应以及磁芯的损耗引起的。高频电流通过导线时总是趋向于从表面流过，这会使导线的有效流通面积减小，并使导线的交流等效阻抗远高于铜电阻。高频电流对导体的穿透能力与开

12、关频率的平方根成反比，为减小交流铜阻抗，导线半径不得超过高频电流可达深度的2倍。可供选用的导线线径与开关频率的关系曲线如图1所示。举例说明，当f=100kHz时，导线直径理论上可取0.4mm。但为了减小趋肤效应，实际可用更细的导线多股并绕，而不用一根粗导线绕制。在设计高频变压器时必须把漏感减至最小。因为漏感愈大，产生的尖峰电压幅度愈高，漏极钳位电路的损耗就愈大，这必然导致电源效率降低。对于一个符合绝缘及安全性标准的高频变压器，其漏感量应为次级开路时初级电感量的13。要想达到1以下的指标，在制造工艺上将难于实现。减小漏感时可采取以下措施：减小初级绕组的匝数NP； 增大绕组的宽度（例如选EE型磁芯

13、，以增加骨架宽度b）； 增加绕组的高、宽比； 减小各绕组之间的绝缘层； 增加绕组之间的耦合程度。 电源高频变压器的设计方法设计高频变压器是电源设计过程中的难点，下面以反馈式电流不连续电源高频变压器为例， 介绍一种电源高频变压器的设计方法。设计目标：电源输入交流电压在180V260V之间，频率为50Hz，输出电压为直流5V、14A，功率为70W，电源工作频率为30KHz。设计步骤：1、计算高频变压器初级峰值电流Ipp2、求最小工作周期系数Dmin3、计算高频变压器的初级电感值Lp4、计算出绕组面积Aw和铁心有效面积Ae的乘积Aw*Ae,选择铁心尺寸。5、计算空气间隙长度Lg6、计算变压器初级线圈

14、Np7、计算变压器次级线圈Ns高频变压器：整流、变压在传统的高频变压器设计中，由于磁心材料的限制，其工作频率较低，一般在20kHz左右。随着电源技术的不断发展，电源系统的小型化，高频化和高功率比已成为一个永恒的研究方向和发展趋势。因此，研究使用频率更高的电源变压器是降低电源系统体积，提高电源输出功率比的关键因素。作为开关电源最主要的组成部分，高频变压器相对于传统的工频变压器有以下优点：利用铁氧体材料制成的高频变压器具有转换效率高、体积小巧的特点；而传统的工频变压器工作在50Hz下，输出相同功率时需要较大的截面积而导致变压器体积庞大，不利于电源的小型化设计，而且电源转换效率也低于开关电源。电脑使

15、用的开关电源一般采用半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生100kHz的高频脉冲波，然后通过高频变压器进行降压，输出低电压的交流电。在这个电路中，开关管的最大电流对电源输出功率的大小有一定的限制（通常应用于300W电源的MOS管体积较大，有的电源甚至使用了耐流达到10A的开关管），而高频变压器各个绕组线圈的匝数比例则决定了输出电压的多少，由于工作在很高的频率下，对元件质量的要求和线路的搭配有很高的要求。抑制高频变压器的音频噪声 高频变压器EE或EI型磁芯之间的吸引力，能使两个磁芯发生位移；绕组电流相互间的引力或斥力，也能使线圈产生偏移。 此外， 受机械振动时能导致周期性的形变。

16、上述因素均会使高频变压器在工作时发出音频噪声。10W以下单片开关电源的音频噪声频率，约为10kHz20kHz。为防止磁芯之间产生相对位移，通常以环氧树脂作胶合剂，将两个磁芯的3个接触面（含中心柱）进行粘接。但这种刚性连接方式的效果并不理想。因为这无法将音频噪声减至最低，况且胶合剂过多，磁芯在受机械应力时还容易折断。国外最近采用一种特殊的“玻璃珠”（glass beads）胶合剂，来粘合EE、EI等类型的铁氧体磁芯，效果甚佳。这种胶合剂是把玻璃珠和胶着物按照1：9的比例配制而成的混合物，它在100以上的温度环境中放置1h即可固化。其作用与滚珠轴承有某种相似之处，固化后每个磁芯仍能独立地在小范围内

17、产生形变或移位，而总体位置不变，这就对形变起到了抑制作用。用玻璃珠胶合剂粘接的高频变压器内部。采用这种工艺可将音频噪声降低5dB。 高频变压器的屏蔽 为防止高频变压器的泄漏磁场对相邻电路造成干扰，可把一铜片环绕在变压器外部，该屏蔽带相当于短路环，能对泄漏磁场起到抑制作用，屏蔽带应与地接通。基本知识将两个线圈靠近放在一起，当一个线圈线中的电流变化时，穿过另一线圈的磁通会发生相应的变化，从而使该线圈中出现感应电势，这就是互感现象。变压器就是根据互感原理制成的。按工作频率分，有高频变压器、中频变压器、低频变压器、脉冲变压器。如收音机的磁性天线，它是高频；在收音机的中频放大级，用的是中频的，俗称“中周

18、”；低频的种类较多，有电源变压器、输入变压器等；电视机的行输出变压器，也称“高压包”，它是一种脉冲变压器。变压比、额定功率、温升、效率、空载电流、绝缘电阻均为其主要技术参数。在电路中电压变换、电流变换、传递功率、阻抗匹配、或阻抗变换等用途。电子变压器在电源技术中的作用作用电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。它在电源装置中的作用：起电压和功率变换作用； 起传递宽带、声频、中周功率和信号作用； 起传递脉冲、驱动和触发信号作用； 起原边和副边绝缘隔离作用； 起单相变三相或三相变单相作用，起改变输出相位作用； 起改变输出频率作用； 起改变输出阻抗与负

19、载阻抗相匹配作用； 起稳定输出电压或电流作用，起调节输出电压作用； 起交流和直流滤波作用； 起抑制电磁干扰作用，起抑制噪声作用； 起吸收浪涌电流作用，减缓电流变化速率； 起储能作用，起帮助半导体开关换向作用； 起开关作用； 起调节电感作用； 起变换电压、电流或脉冲检测信号。 从以上的列举可以看出，不论是直流电源，交流电源，还是特种电源，都离不开电子变压器。有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时，往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。同时，在电子电源中使用的软磁电磁元件中，各种变压器占主要地位，因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表，称

20、它们为“电子变压器”。绕制变压器的材料要绕制一个变压器我们必须对有关的材料要有一定的认识，下面为你提供了这方面的知识。1、铁心材料：使用的铁心材料主要有铁片、低硅片，高硅片，的钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少。我们通常称为加了硅的钢片为硅钢片，变压器的质量所用的硅钢片的质量有很大的关系，硅钢片的质量通常用磁通密度B来表示，一般黑铁片的B值为6000-8000、低硅片为9000-11000，高硅片为12000-16000。2、通常用的材料有漆包线，沙包线，丝包线，最常用的漆包线。对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。

21、一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。3、绝缘材料在绕制过程中，线圈框架层间的隔离、绕阻间的隔离，均要使用绝缘材料，一般的变压器框架材料可用酚醛纸板制作，层间可用聚脂薄膜或电话纸作隔离，绕阻间可用黄腊布作隔离。4、浸渍材料：绕制好后，还要过最后一道工序，就是浸渍绝缘漆，它能增强变压器的机械强度、提高绝缘性能、延长使用寿命，一般情况下，可采用甲酚清漆作为浸渍材料。高频电源变压器的设计原则 高频电源变压器作为一种产品，自然带有商品的属性，因此其设计原则和其他商品一样，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好。有时可能偏重性能和效率，有时可能偏重价格和成本。现在，轻、薄、短、小，

22、成为它的发展方向，是强调降低成本。其中成为一大难点的高频电源变压器，更需要在这方面下功夫。如果能认真考虑一下它的设计原则，追求更好的性能价格比，传送不到10VA的单片开关电源高频变压器，应当设计出更轻、薄、短、小的方案来。不谈成本，市场的价值规律是无情的！许多性能好的产品，往往由于价格不能为市场接受而遭冷落和淘汰。往往一种新产品最后被成本否决。一些“节能不节钱”的产品为什么在市场上推广不开值得大家深思。 产品成本，不但包括材料成本，生产成本，还包括研发成本，设计成本。因此，为了节约时间，根据以往的经验，对它的铁损铜损比例、漏感与激磁电感比例、原边和副边绕组损耗比例、电流密度提供一些参考数据，对

23、窗口填充程度，绕组导线和结构推荐一些方案，有什么不好？为什么一定要按步就班地来回进行推算和仿真，才不是概念错误？作者曾在20世纪80年代中开发高频磁放大器式开关电源，以温升最低为条件，对高频电源变压器进行过优化设计。由于热阻难以确定，结果与试制样品相差甚远，不得不再次修正。现在有些公司的磁芯产品说明书中，为了缩短用户设计的时间，有的列出简化的设计公式，有的用表列出磁芯在某种工作频率下的传送功率。这种既为用户着想，又推广公司产品的双赢行为，是完全符合市场规律的行为，绝不是什么需要辨析的错误概念。问题是提供的参考数据，推荐的方案是否是经验的总结？有没有普遍性？包括“辨析”一文中提出的一些说法，都需

24、要经过实践检验，才能站得住脚。 总之，千万记住：它是一种产品（即商品），设计原则是在具体的使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。检验设计的唯一标准是设计出的产品能否经受住市场的考验。变压器截面积确定： 大家知道铁芯截面积是根据变压器总功率“ P ” 确定的 (A=1.25 根号 P) 。在设计时。假定负载是恒定不变的，则其铁芯截面积通常可选取计算的理论值。如果其负载是变化比较大的，例如，音频、功放电源等变压器的截面积，则应适当大于理论计算值，这样才能保证有足够的功率输出能力 ( 因为一旦截面积确定后，就不可能再选择功率余量了 ) 。如何确定这些变压器的“ P ”值呢 ? 应该计算出使用

25、时负荷的最大功率，并且估算出某些变压器在使用中需要输出的最大功率。特别是音频变压器、功放电路的电源变压器等 ( 笔者测试过多种功放电路的音频变压器、功放电路的电源变压器；音频变压器在大动态下明显失真，电源变压器在大动态下次级电压明显下降。经测算，截面积不够是产生上述现象的主要原因之一 ) 。 每伏匝数的确定：变压器的匝数主要取决于铁芯截面积和硅钢片的质量，通常从参考书籍计算出的每伏匝数是比较多的，经实验证明，从理论设计的数值上，将每伏匝数降低 10% 15% 是没有问题的。例如，一只的电源变压器，根据理论计算 ( 中矽钢片 8500 高斯每伏匝数为 7.2 匝，而实际每伏只需 6 匝就可以了，

26、且这样绕制的变压器空载电流在 26mA 左右。 笔者和同行在解剖过日本生产的家用电器上的电源变压器时发现，他们生产的变压器每伏匝数比我们国产的变压器线圈匝数要少得多，同样 35W 的电源变压器每伏匝数只有匝，空载电流 45mA 左右。 通过适当减少匝数，绕制出来的变压器不但可以降低内阻，而且避免了采用普通规格硅钢片时经常出现的绕不下的麻烦，还节省了成本，提高了性价比。 漆包线的线径确定： 线径是根据负载电流而确定的。由于在不同的情况下，漆包线通载电流差距较大，故确定线径的幅度也较大，一般在额定的电流下连续工作的变压器，其工作电流基本不变，但在散热条件不理想，且环境温度比较高时，应按电流密度为

27、2A 平方毫米选取漆包线的线经。如果变压器连续工作时负载电流基本不变。但本身散热条件很好，环境温度又不高。漆包线按电流密度 2.5A 平方毫米选取线径；假如一般时段工作电流只有最大电流的 1 2 ，漆包线按电流密度 3.35A 平方毫米选取线径，音频变压器的漆包线按电流密度 3.5 4A 平方毫米选取线径。这样，因时制宜取材，既可保证质量又可大大降低成本。 二、两种特殊变压器设计方法与技巧高压工频变压器：这类变压器往往工作电压几千伏，但电流只有毫安至几十毫安，由于电压较高，次级的绝缘要求很高。 在绕制时，常采用层层垫纸，这按通常方法设计且采用普通规格化的硅钢片是绕不下的。故应选用窗口较大的硅钢

28、片，另外适当增加叠厚，用加大截面积的办法来减少初、次级的匝数。 多次级的变压器： 这类变压器的次级多数在七八组以上，电流大小不等，但每组不一定同时接负载。所以计算功率不一定全部算进去，只要将同时带负载的次级绕组计算出来即可。同样应选窗口较大的硅钢片，初级线圈的线径应根据次级各组同时使用的实际功率确定。采用以上的方法设计，既能保证性能又可以降低生产的成本。 概言之：要想设计出性价比高的变压器，铁芯截面积只能大不可小，适当减少每伏匝数详细分析负载情况，合理选用漆包线的规格。只有通过反复实践与推算、推敲，才能真正掌握变压器的设计方法与技巧。22 变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁

29、饱和变压器）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯。变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primary coil);而跨于此线圈的电压称之为一次电压.。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁芯，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限

30、在铁芯里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁芯二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附属物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。2电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供60Hz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置

31、的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部份属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。阻抗其中之一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备-变压器。对于电子装置而言，重量和空间通常是一项努力追求之目标，至于效率、安全性与可靠性，更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显著百分比的重量和空间外，另一方面在可靠性方面，它亦是衡量因子中之一要项。在它应用方面的差别，使得电力变压器并不适合应用于电子电路上.变压器-利用