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變壓器的基本知識
????浩?p> ??浩髟讞?配?系?中扮演著?力??Q???的工作,例如???S在?配??r需要以高??悍絞?鬏?(345KV、161KV以及69KV等),接近用?舳擻種鶇謂?褐?10V,?些程序都必需藉由??浩?磉_成;日常所使用的很多?器用品,其?炔懇捕加兇??浩鰨?蚺渲猛飩郵階??浩鰨??10V的交流?源??Q?檫m?的??褐擔?純稍俳?由整流?V波?路而得到低??旱鬧繃鞴ぷ麟?源;有些?品已改?裼媒?Q式?源(switch power)取代?鶻y?圈型??浩鰨?????浩骶?涓咝?省?o磁漏、低??之???,逐?u??迷諶珉??等??瀋稀1疚?⑨??σ話閾⌒?鶻y?圈型??浩髯齷?駒?斫榻B,?K?明使用???相?常????。
1. ??浩髟??p> ?圈型??浩黛?885年由匈牙利Ganz公司首度生?,至今已超?一世?,??r?以?硪呀??V?檫\用且有?多改良,??出不同的型?B,但是其原理仍然是一致的。此??浩骼?秒?能?磁能??Q感??腦?恚??山M?圈??在共同的「?心(core)」上,如?D1所示,?接?源端的??欏敢淮尉?圈」或「主?圈(primary coil)」,?接??端的??欏付?尉?圈」或「副?圈(secondary coil)」。
?一次?圈接上交流?源,於??圈通?的?流??阼F心中?生磁通量?化,另一端的二次?圈???楦??碾????emf),而?生另一??相同?率的交流?。式(1)「法拉第定律(Faradays Law)」?明感?????菖c磁通量以及?圈匝?檔年P?S,其中?楦?????藎??榫?圈匝?擔?櫬磐?俊T誒硐肭?r下,?圈每一匝的磁通量BB皆相同,因此dtdB亦?橄嗤??矢????號c?圈匝?黨燒?齲ㄊ?2)),若二次?染?圈??N2)大於一次?染?圈??N1),?t???浩?欏干?鶴??浩?stet-up transformer)」,反之若?t?欏附?鶴??浩?step-down transformer)」。
?D1. ??浩髟?硎疽?D
2. ?心的?用
?心的??也有不同的形式,?心材料的基本?求就是,必?具?漭^大的「?Т判?relative permeability, Km)」,亦即?低的磁阻,常?的?心材料有???崽?理退火的??(soft iron)以及矽?片等。?些材料通常都具有比空?飧叱黿?f倍的?Т拍芰Γ?繞鵪淥?餒|能?虍a生更多的磁力?,?例?碚f,假若一??空心?圈能?生一?l磁力?,?t表示同?擁木?圈在矽?片上能?生?一??l磁力?。
?心的???依外?可分??欏竿忤F式」?「?辱F式」,如?D2所示,?D3、4?明目前常?的?心形式,其中?D3(d)?欏?I型?心」,?然EI型?心磁漏?高、效率低,但是???獎閎菀籽u造,是目前普遍的?心形式。?D3(e)?欏?型?心(cut core)」,?D4右者是由C型?心改良而?淼摹?-core?心」,其?心?M?嗝?軛?似?A形,以方便???圈,且?A形的截面,可避免一般方型?心截面磁力?容易集中於四??直角端而造成磁力?分布不均,可能造成的磁力局部?和的???。?D3(a)、3(b)、?3(c)?欏腑h形?心(toroidal core)」,?裼鉚h形?心的??浩?檳殼半?器特性良好的??浩鰨??矢摺⒋怕┑頹??B反??歟??u作程序?繁?,成本也?高。
?D4. 目前主要的??浩黝?型
?心???的??原?t?楣?省成本??p少矽?片接?。矽?片?心的加工皆以?_孔方式?_出窗口,而?_下之剩?材料多半?o法再加以利用,因此妥善??以降低剩?材
料是?造成本的重要考量。此外前面提到矽?片的?Т判贓h大於空?猓?虼巳翳F心???中存在太多的接??t??斐呻?磁??Q效能的下降。以常?的EI型?心就有很多不同的接?外型(?D5),除了?p少接?之外,各??矽?片的接?相互??也可加???Т判閱埽?D6)。
3. ??浩韉?p耗
理?上???浩韉霓D?Q效率??00?r,一次?圈?容?入功率?二次?圈?容?出功率相同,但???上由於激磁所?生的磁力?不可能全部都被?I限在?心中,再加上其他的?炔?p耗,??Q效率?荼叵陸怠MǔW??浩韉?p耗可分??深?:「??p」?「??p」,前者????o?,因此又??欏?o???p」,後者?t和??的大小有?,??欏肛???p」,分?e?明如下。
(1) ?o???p
由於?圈的?茸瑁?淮尉?圈的激磁?流??斐??p(P=I2R),但是此?流?O小,通常可忽略不?。再者,?心矽?片的材?不同,以及??侯l率的?化,??斐傘復??p(hysteresis loss)」,??侯l率越高?t磁??p???醬蟆=檔痛????淖鞣ㄊ悄殼?V??裼玫募s含3矽的材料的矽?片?心,且另一方面,高?Т諾牟牧賢ǔF浯磐??和密度?低,但可藉由添加矽元?硭靨岣嘰磐??和密度。
另一??很重要的??浩髂芰?p耗是「?u流?p(Eddy Current loss)」,由於?心本身也是??w,因??心通?磁力?,此?r??阼F心?擾c磁力?垂直的切面上形成?流?路,如?D7(a)所示,?u流同???斐?=I2R的?炔?p耗,?成?崮堋?u流的?象是?o法完全解?Q的,但要降低?u流的影?,目前的作法是如?D7(b)的方式,?心?裼孟嗷ソ^?的薄片堆?而成(?⒖?D6),每片薄片?H?0.2mm到0.35mm,矽?片的厚度越薄,?t?u流越小,此外,上段?⑹鮒興?峒暗奶砑游??仂惰F心中,除了提高磁通?和密度外,也可以降低?心?щ?性,亦即降低?u流。
?D7. ?u流?片?疃詢B?心
(2) ???p
???p包含「?阻?p」?「漂游?p」?剎糠蕁k?阻?p起因於?圈本身的?阻,???端的?流越大,?t?阻?p就越大,??的?阻?p?鬃??浩縻~?p近50,因此欲降低??p主要的考量是增加?Ь?的截面?以及?p少?圈匝?怠I鬟x?好的?材??K使用??捷^粗的??Ь?也可降低?阻,此外若?裼?Т判?O高的?心材?或?裼?o接??澡F心,?t可降低?圈匝?擔?_到降低??p的目的。
漂游?p主要是由於磁漏所致,所有的感??帕??不可能都被?I限在?心中,因此磁漏??誒@???w中?生?u流,形成?p耗,降低漂游?p的方式?榧友b屏蔽遮罩,此?除了可?p低磁漏???圈的影?外,也可以?p低??浩?ν獠儈?子零件或?路的干?_,屏蔽遮罩常?有????椴餒|,其中以?的屏蔽效果?佳,惟?r格??。
??浩韉腦胍羰橇硪??常?的???,即所?「哼?(hum)」。哼?起因?榻換サ拇帕ψ?化於矽?片上?生些微的振?櫻?蘇?宇l率??交流??合嗤??綦?源中含有?波成分,?t??斐稍胍艫姆糯蟆=?Q??浩骱唄?的???方法如下:
(1) 降低?心的磁通密度
降低?心的磁通密度可降低??浩骱唄?,但此作法得增加?心的截面?,使得??浩髦亓看笤觶?斐沙殺咎岣咔??瞇越檔偷睦?_。
(2) 使用磁歪斜小的矽?片
使用高?Т徘揖吒叻較蛐緣奈??片,如HI-B型或ZDKH型矽?片。
(3) 改善?心接????
除了?p少接?之外,?㈣F心的堆?方式改以?梯搭接,也可以改善??浩髟胍簟4送庠阼F心???程中,要注意勿使?心?生局部的??Υ嬖冢??垢韃糠蕕氖?`力均?蚧??p> (4) 黏著?┱嬋蘸??p> 此方式?樾⌒妥??浩韉募呀翟敕椒ǎ?⒄????後的??浩鞣湃敕擦⑺?varnish)槽?日嬋蘸?????-core以及?形??浩?碚f,此上可?⒃胍艚抵料喈?低。??樂?的作法是,在?心??完成後即?行一次真空含浸,接著在?辰M完成後可再?行一次真空含浸。
變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件,當初級線圈中通有交流電流時,鐵芯(或磁芯)中便產生交流磁通,使次級線圈中感應出電壓(或電流)。變壓器由鐵芯(或磁芯)和線圈組成,線圈有兩個或兩個以上的繞組,其中接電源的繞組叫初級線圈,其余的繞組叫次級線圈。
一、分類
按冷卻方式分類:干式(自冷)變壓器、油浸(自冷)變壓器、氟化物(蒸發冷卻)變壓器。
按防潮方式分類:開放式變壓器、灌封式變壓器、密封式變壓器。
按鐵芯或線圈結構分類:芯式變壓器(插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯)、殼式變壓器(插片鐵芯、C型鐵芯、鐵氧體鐵芯)、環型變壓器、金屬箔變壓器。
按電源相數分類:單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。
按用途分類:電源變壓器、調壓變壓器、音頻變壓器、中頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓器。
二、電源變壓器的特性參數
1、工作頻率
變壓器鐵芯損耗與頻率關系很大,故應根據使用頻率
來設計和使用,這種頻率稱工作頻率。
2、額定功率
在規定的頻率和電壓下,變壓器能長期工作,而不超過規定溫升的輸出功率。
3、額定電壓
指在變壓器的線圈上所允許施加的電壓,工作時不得大于規定值。
4、電壓比
指變壓器初級電壓和次級電壓的比值,有空載電壓比和負載電壓比的區別。
5、空載電流
變壓器次級開路時,初級仍有一定的電流,這部分電流稱為空載電流。空載電流由磁化電流(產生磁通)和鐵損電流(由鐵芯損耗引起)組成。對于50Hz電源變壓器而言,空載電流基本上等于磁化電流。
6、空載損耗
指變壓器次級開路時,在初級測得功率損耗。主要損耗是鐵芯損耗,其次是空載電流在初級線圈銅阻上產生的損耗(銅損),這部分損耗很小。
7、效率
指次級功率P2與初級功率P1比值的百分比。通常變壓器的額定功率愈大,效率就愈高。
8、絕緣電阻
表示變壓器各線圈之間、各線圈與鐵芯之間的絕緣性能。絕緣電阻的高低與所使用的絕緣材料的性能、溫度高低和潮濕程度有關。
三、音頻變壓器和高頻變壓器特性參數
1、頻率響應
指變壓器次級輸出電壓隨工作頻率變化的特性。
2、通頻帶
如果變壓器在中間頻率的輸出電壓為U0,當輸出電壓(輸入電壓保持不變)下降到0.707U0時的頻率范圍,稱為變壓器的通頻帶B。
3、初、次級阻抗比
變壓器初、次級接入適當的阻抗Ro和Ri,使變壓器初、次級阻抗匹配,則Ro和Ri的比值稱為初、次級阻抗比。在阻抗匹配的情況
四、變壓器的損耗
當變壓器的初級繞組通電后,線圈所產生的磁通在鐵心流動,因為鐵心本身也是導體,在垂直于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并產生電流,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,并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。
由于變壓器存在著鐵損與銅損,所以它的輸出功率永遠小于輸入功率,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。
五、變壓器的材料
要繞制一個變壓器我們必須對與變壓器有關的材料要有一定的認識,為此這里我就介紹一下這方面的知識。
1、鐵心材料:
變壓器使用的鐵心材料主要有鐵片、低硅片,高硅片,的鋼片中加入硅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。我們通常稱為加了硅的鋼片為硅鋼片,變壓器的質量所用的硅鋼片的質量有很大的關系,硅鋼片的質量通常用磁通密度B來表示,一般黑鐵片的B值為6000-8000、低硅片為9000-11000,高硅片為12000-16000,
2、繞制變壓器通常用的材料有
漆包線,沙包線,絲包線,常用的漆包線。對于導線的要求,是導電性能好,絕緣漆層有足夠耐熱性能,并且要有一定的耐腐蝕能力。一般情況下好用Q2型號的高強度的聚脂漆包線。
3、絕緣材料
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制作,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:
變壓器繞制好后,還要過后一道工序,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,可采用甲酚清漆作為浸漬材料。