環形變壓器特性和優點

1 引言
        環形變壓器是電子變壓器的一大類型，已廣泛應用於家電設備和其它技術要求較高的電子設備中，它的主要用途是作為電源變壓器和隔離變壓器。環形變壓器在國外已有完整的系列，廣泛應用於計算機、醫療設備、電訊、儀器和燈光照明等方面。
        環形變壓器由於有優良的性能價格比，有良好的輸出特性和抗干擾能力，因而它是一種有競爭力的電子變壓器，本文擬就它的特點作一介紹。

2 環形變壓器的特點
       環形變壓器的鐵心是用優質冷軋硅鋼片（片厚一般為0.35mm以下），無縫地卷制而成，這就使得它的鐵心性能優於傳統的疊片式鐵心。環形變壓器的線圈均勻地繞在鐵心上，線圈產生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎完全重合，與疊片式相比激磁能量和鐵心損耗將減小25％，由此帶來了下述一系列的優點。

1. 電效率高,鐵心無氣隙，疊裝係數可高達95％以上，鐵心磁導率可取1.5～1.8T（疊片式鐵心只能取1.2～1.4T），電效率高達95％以上，
   空載電流只有疊片式的10％。
2. 外形尺寸小，重量輕環形變壓器比疊片式變壓器重量可以減輕一半，只要保持鐵心截面積相等，環形變壓器容易改變鐵心的長、寬、高比例，可以設計出符合要求的外形尺寸。
3. 磁干擾較小環形變壓器鐵心沒有氣隙，繞組均勻地繞在環形的鐵心上，這種結構導致了漏磁小，電磁輻射也小，無需另加屏蔽都可以用到高靈敏度的電子設備上，例如應用在低電平放大器和醫療設備上。
4. 振動雜訊較小鐵心沒有氣隙能減少鐵心感應振動的噪音，繞組均勻緊緊包住環形鐵心，有效地減小磁致伸縮引起的“嗡嗡”聲。 
   圖1 環形變壓器外形圖
5. 運行溫度低由於鐵損可以做到1.1W/kg，鐵損很小，鐵心溫升低，繞組在溫度較低的鐵心上散熱情況良好，所以變壓器溫升低。
6. 容易安裝環形變壓器只有中心一個安裝螺桿，特別容易在電子設備中進行快速安裝與拆卸。

3 環形變壓器的分類
       根據國外文獻介紹，環形變壓器可分為標準型、經濟型及隔離型等三類，各類的特點是

1. 標準型電源變壓器產品系列容量8～1500VA，有較小的電壓調整率、滿載運行溫升僅為40℃，允許短時超載運行，適合於要求高的使用場合。初次級繞組間採用B級（130℃）的聚酯薄膜絕緣，要求至少包三層絕緣帶，能經受交流4000V，1min 的耐壓試驗。
2. 經濟型電源變壓器產品系列容量50～1500VA，在保證性能的基礎上力求降低造價，適用於連續運行而不超載的使用場合，運行溫升為60℃，絕緣材料等級為A 級（105℃），當滿負載時輸出電壓誤差小於3％。
3. 隔離變壓器產品系列容量50～1000VA，又可分為工業用和醫療設備用兩系列。隔離變壓器著重是它的絕緣性能，初級與次級間用B級絕緣的聚酯薄膜至少包紮4層，擊穿電壓大於4000V，所有初級引線必須採用雙絕緣導線。變壓器最大溫升低於45℃。醫療用的隔離變壓器除符合上述的要求外，還要符合UL544標準，即初級和次級繞組應具有熱保護，繞組與接地銅屏蔽間隔距離應大於13mm。此外對醫療用的隔離變壓器還要求在初級繞組裝有溫度保護開關，當鐵心溫度達到120℃時，溫度保護開關斷開，當溫度恢復正常時，開關自動複位合上。

4 環形變壓器應用中應注意的問題
4.1 變壓器的功率容量
       變壓器的功率容量是決定鐵心尺寸的主要依據。在很多場合變壓器的負載是間歇性的，例如音響設備中的電源變壓器。這時變壓器的體積和重量較連續工作時要減少很多，如圖2 所示負載A段對整個B段而言是較小的一段，這時變壓器的工作周期比其熱時間常數要短很多，可用式（1）計算變壓器的額定功率。PN=PL(VA)（1）
式中：PN——變壓器額定功率（VA）；
PL——變壓器負載功率（VA）；
A——接通負載時間；
B——變壓器工作周期。
 
圖2 變壓器斷續負載情況

4.2 電壓調整率
        電壓調整率是衡量變壓器負載特性的重要指標。電壓調整率是指當輸入電壓不變，負載電流從零升到額定值時，輸出電壓U2 的相對變化值，通常以百分數表示，如式（2）所示：
ΔU=×100％             （2）
式中：ΔU——電壓調整率；
U20——空載輸出電壓（V）；
U2——變壓器額定負載時的輸出電壓（V）。
 
圖3 環形變壓器電壓調整率與輸出功率的關係曲線

4.3 環形變壓器效率
       由於變壓器有鐵損和銅損，輸出功率Po總是小於輸入功率Pi。
 
圖4 環形變壓器效率與負載率的關係曲線

4.4 自耦變壓器
       當只要求升壓或降壓，而不要求初級與次級繞組隔離的情況下，使用自耦變壓器是合適的。自耦變壓器具有體積小，成本低、傳輸功率大等優點，用環形鐵心繞制自耦變壓器因初次級繞組不需絕緣，加工十分方便，體積、重量更小，造價更低。 要注意的是自耦變壓器初、次級繞組的公共端（COM）要接零線，這樣才安全。
      自耦變壓器電路如圖5 所示，它的額定功率PAH 按式（4）計算。
PAH=PAO(UH－UL)/UH(VA)（4）
式中：PAO——自耦變壓器輸出功率（VA）；
UH——高電壓繞組電壓（V）；
UL——低電壓繞組電壓（V）。
 
圖5 自耦變壓器電路圖

4.5 溫升問題
      環形變壓器的溫升特性曲線示於圖6，從圖6 可看出環形變壓器的溫升是較低的，對標準型系列，即便是過載120％，溫升也不超過70℃。
 
圖6 環形變壓器的溫升與負載率的關係曲線
       變壓器的溫升是由鐵損和銅損兩部分決定的，對疊片式變壓器，這兩部分基本相等，但環形變壓器由於採用優質冷軋硅鋼片繞制，並配合良好的退火工藝，其鐵心損耗僅為全部損耗的（10～20）％，所以溫升主要由繞組銅耗決定，合理的設計是初、次級繞組的功耗應基本平衡。
       溫升也與散熱面積關係很大，由於環形變壓器鐵心溫升低，繞組在整個鐵心上均勻繞制，散熱面積和散熱條件都比較好，因此能獲得較低的溫升。

4.6 合閘電流
       一般變壓器在合閘時都會產生很大的合閘衝擊電流，而環形變壓器由於沒有氣隙和具有高磁導率則會造成更大的合閘電流。300VA以下的環形變壓器可以用一般熔斷器作保護，但為了防止合閘電流燒斷熔斷器，選擇熔斷器的電流應比變壓器初級電流大8～10倍。300VA 以上的環形變壓器要考慮使用慢速熔斷器或溫度熔斷器作保護，有時為了降低該衝擊電流可以將變壓器磁通密度B 值取低些。

4.7 變壓器與整流電路
      大多數作電源用的環形變壓器都與整流電路相連，現將最常用的整流電路和變壓器次級電壓U2、次電流I2 與直流電壓Ud直流電流Id 的關係列在表3 中，供設計時參考。
表3 整流電路與變壓器參數電路名稱電路圖變壓器次級電壓
U2/V變壓器次級電流I2/A
雙整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
橋式整流電路0.8(Ud＋2)1.8Id
全波中心抽頭1.7(Ud＋1)1.2Id

5 環形變壓器的設計計算
       通過設計一台50Hz 石英燈用的電源變壓器，其初級電壓U1=220V，次級電壓U2=11.8V，次級電流I2=16.7A，電壓調整率ΔU≤7％，來說明計算的方法和步驟。
1）計算變壓器次級功率P2
P2=I2U2=16.7×11.8=197VA                  (5)
2）計算變壓器輸入功率P1（設變壓器效率η=0.95）與輸入電流I1
P1=207VA       (6)
I1=0.94A
3）計算鐵心截面積SS=K(cm²)                (7)
式中：K——係數與變壓器功率有關，K=0.6～0.8，取K=0.75；
Po——變壓器平均功率，Po=202VA。則S=0.75=10.66cm2，取S=11cm2。
根據現有鐵心規格選用鐵芯尺寸為：高H=40mm，內徑Dno=55mm，外徑Dwo=110mm。核算所選用的鐵心的截面積S=H=×40×10-2=11cm²
4）計算初級繞組每伏匝數N10 與匝數N1N10=（匝/V）（8）
式中：f-電源頻率（Hz），f=50Hz；
B-磁通密度（T）,B=1.4T。代入得N10==2.9匝/V，取N10=3 匝/V，則N1=N10U1=3×220=660 匝。
5）計算次級繞組每伏匝數N20 與匝數N2N20=（匝/V）（9）
代入得N20==3.23 匝/V，則N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1 匝，取N2=38 匝。
6）選擇導線線徑
繞組導線線徑d 按式(10)計算d=1.13(mm)        (10)
式中：I——通過導線的電流（A）；
j——電流密度，j=2.5～3A/mm2。
當取j=2.5A/mm2時代入式(10)得d=0.72(mm)則初級繞組線徑d1=0.72=0.69mm，選漆包線外徑為0.72mm。次級繞組線線徑d2=0.72=2.94mm，選用兩條d=2.12mm（考慮絕緣漆最大外徑為221mm）導線並繞。因為 2.94 導線的截面積Sd2=6.78mm2，
而d=2.12mm 導線的截面積為3.53mm2 兩條並聯后可得截面積為：2×3.53=7.06mm2，完全符合要求且裕度較大。

6 環形變壓器的結構計算
       環形變壓器的繞組是用繞線機的繞線環在鐵心內作旋轉運動而繞制的，因此鐵心內徑的尺寸對加工過程十分重要，結構計算的目的就是檢驗繞完全部繞組后，內徑尚余多少空間。若經計算內徑空間過小不符合繞制要求時，可以修改鐵心尺寸，只要維持截面積不變，電性能也基本不變。
      已知鐵心內徑Dno=55mm，圖7中各絕緣層厚度為to=1.5mm，t1=t2=1mm。
1）計算繞完初級繞組及包絕緣后的內徑Dn2計算初級繞組每層繞的匝數n1n1=（匝）（11）
式中：Dn1——鐵心包絕緣后的內徑，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.
5)=52mm；
kp——疊繞係數，kp=1.15。代入得n1==197 匝
則初級繞組的層數Q1 為Q1===3.35 取整數Q1=4 層
初級繞組厚度δ1 為
δ1=Q1d1kp=4×0.72×1.15=3.3mm
則初級繞組包絕緣后的內徑Dn2 為
Dn2=Dn1－2(δ1＋t1)=52－2(3.3＋1)=43.4mm
2）計算次級繞組的厚度δ2
計算次級繞組每層繞的匝數n2，考慮到次級繞組是用2×d2=2×2.21mm 導線並繞，則n2===27 匝
則次級繞組的層數Q2 為Q2===1.41，取整數Q2=2 層。
次級繞組厚度δ2 為
δ2=Q2d2kp=2×2.21×1.15=5.08mm
3）計算繞完初次級繞組及包絕緣后的內徑Dn4
Dn4=Dn2－2(δ2＋t2)=43.4－2(5.08＋1)=31.24mm
可見繞完繞組后，內徑還有裕量，所選鐵芯尺寸是合適的。

7 環形變壓器樣品的性能測試
為檢驗設計方法的準確性，對按設計參數製成的環形變壓器樣品進行了性能測試，結果如下。
7.1 空載特性測試
測量電路如圖8 所示。測得的數據列於表4，按照表4 的數據，繪出圖9 所示的空載特性曲線。
從變壓器的空載特性看出設計符合要求，在額定工作電壓220V 時（工作點為A），變壓器的空載電流只有13.8mA，即使電源電壓上升到240V 變壓器工作在B點鐵心還未飽和，有較大的裕度。

7.2 電壓調整率測量
變壓器在空載時測得的次級空載電壓U20=12.6V，當通以額定電流I2=16.7A 時，次級輸出電壓為U2=11.8V，按式（2）計算電壓調整率為
ΔU=×100％==6.4％
變壓器電壓調整率達到ΔU<7％的指標。

7.3 溫升試驗
用電阻法對變壓器繞組進行溫升試驗，在通電4h 變壓器溫升穩定後進行測試，並按式（12）計算繞組平均溫升Δτm。
Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）
從溫升試驗結果看出所設計的變壓器已達到標準型溫升標準，即Δτm<40℃，初次級繞組溫升基本相等，即兩繞組功耗較均衡。

7.4 絕緣性能試驗
1）絕緣電阻
用500V搖表測試絕緣電阻，初次級繞組之間的絕緣電阻在常態下均大於100MΩ。
2）抗電強度
變壓器初級與次級繞組之間能承受50Hz，4000V（有效值）電壓1min，而無擊穿和飛弧。限定漏電流為1mA，此項試驗證明變壓器的抗電強度達到IEC 標準。

8 結語
環形變壓器以其優良的性能和有競爭力的性能價格比，可以預期它會在較大領域內取代傳統的疊片式變壓器，隨著環形變壓器技術性能進一步提高，它將會在電子變壓器領域中有更廣闊的應用前景。