環形變壓器及其應用

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的關系列在表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

通過設計一臺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I1P1===207VA(6)I1===0.94A

3）計算鐵心截面積SS=K(cm2)(7)

式中：K——系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

圖7環形變壓器截面圖

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）導線并繞。因為2.94導線的截面積Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm導線的截面積為3.53mm2兩條并聯后可得截面積為：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——疊繞系數，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導線并繞，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，對按設計參數制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。測得的數據列于表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

()

表4環形變壓器空載特性測量數據表交流輸入電壓U1/V空載電流I0/mA
202.1
403.3
604.0
804.9
1005.6
1206.4
1407.3
1608.3
1809.6
20011.2
22013.8
24018
25022.7

環形變壓器及其應用

圖9環形變壓器空載特性曲線

圖8空載特性測量電路

ΔU=×100％==6.4％
變壓器電壓調整率達到ΔU7％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變壓器溫升穩定后進行測試，并按式（12）計算繞組平均溫升Δτm。Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）

測量的數據及計算結果列于表5

表5200VA環形變壓器溫升試驗數據繞組類別測冷阻（r1）時的環境溫度t1/℃測熱阻（r2）時的環境溫度t2/℃t1時繞組電阻r1/Ωt2時繞組電阻r2/Ω常數k繞組平均溫升Δτ/℃
初級34.835.55.2755.958234.534.2
次級34.835.50.018520.0208234.532.5
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Δτm40℃，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于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。