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電子變壓器在電源技術(shù)中的作用

發(fā)布時(shí)間:2010-11-24

中心議題:
  • 電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
  • 電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求
解決方案:
  • 起電壓和功率變換作用
  • 起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號(hào)作用
  • 起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器
  • 起單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?shù)變換變壓器
電源裝置,無(wú)論是直流電源還是交流電源,都要使用由軟磁磁芯制成的電子變壓器(軟磁電磁元件)。雖然,已經(jīng)有不用軟磁磁芯的空芯電子變壓器和壓電陶瓷變壓器,但是,到現(xiàn)在為止,絕大多數(shù)的電源裝置中的電子變壓器,仍然使用軟磁磁芯。因此,討論電源技術(shù)與電子變壓器之間的關(guān)系:電子變壓器在電源技術(shù)中的作用,電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求,電子變壓器采用新軟磁材料和新磁芯結(jié)構(gòu)對(duì)電源技術(shù)發(fā)展的影響,一定會(huì)引起電源行業(yè)和軟磁材料行業(yè)的朋友們的興趣。本文提出一些看法,以便促成電源行業(yè)與電子變壓器行業(yè)和軟磁材料行業(yè)之間就電子變壓器和軟磁材料的有關(guān)問題進(jìn)行對(duì)話,互相交流,共同發(fā)展。

1電子變壓器在電源技術(shù)中的作用
  
電子變壓器和半導(dǎo)體開關(guān)器件,半導(dǎo)體整流器件,電容器一起,稱為電源裝置中的4大主要元器件。根據(jù)在電源裝置中的作用,電子變壓器可以分為:
1)起電壓和功率變換作用的電源變壓器,功率變壓器,整流變壓器,逆變變壓器,開關(guān)變壓器,脈沖功率變壓器;
2)起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號(hào)作用的寬帶變壓器,聲頻變壓器,中周變壓器;
3)起傳遞脈沖、驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)信號(hào)作用的脈沖變壓器,驅(qū)動(dòng)變壓器,觸發(fā)變壓器;
4)起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器,起屏蔽作用的屏蔽變壓器;
5)起單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?shù)變換變壓器,起改變輸出相位作用的相位變換變壓器(移相器);
6)起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器;
7)起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用的匹配變壓器;
8)起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用的穩(wěn)壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩(wěn)流變壓器,起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)壓變壓器;
9)起交流和直流濾波作用的濾波電感器;
10)起抑制電磁干擾作用的電磁干擾濾波電感器,起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器;
11)起吸收浪涌電流作用的吸收電感器,起減緩電流變化速率的緩沖電感器;
12)起儲(chǔ)能作用的儲(chǔ)能電感器,起幫助半導(dǎo)體開關(guān)換向作用的換向電感器;
13)起開關(guān)作用的磁性開關(guān)電感器和變壓器;
14)起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器;
15)起變換電壓、電流或脈沖檢測(cè)信號(hào)的電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器、霍爾電流電壓檢測(cè)器。

從以上的列舉可以看出,不論是直流電源,交流電源,還是特種電源,都離不開電子變壓器。有人把電源界定為經(jīng)過高頻開關(guān)變換的直流電源和交流電源。在介紹軟磁電磁元件在電源技術(shù)中的作用時(shí),往往舉高頻開關(guān)電源中的各種電磁元件為例證。同時(shí),在電子電源中使用的軟磁電磁元件中,各種變壓器占主要地位,因此用變壓器作為電子電源中軟磁元件的代表,稱它們?yōu)?ldquo;電子變壓器”。

2電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求
  
電源技術(shù)對(duì)電子變壓器的要求,像所有作為商品的產(chǎn)品一樣,是在具體使用條件下完成具體的功能中追求性能價(jià)格比最好。有時(shí)可能偏重價(jià)格和成本,有時(shí)可能偏重效率和性能?,F(xiàn)在,輕、薄、短、小成為電子變壓器的發(fā)展方向,是強(qiáng)調(diào)降低成本。從總的要求出發(fā),可以對(duì)電子變壓器得出四項(xiàng)具體要求:使用條件,完成功能,提高效率,降低成本。

2.1使用條件電子變壓器的使用條件,包括兩方面內(nèi)容:
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可靠性和電磁兼容性。以前只注意可靠性,現(xiàn)在由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng),必須注意電磁兼容性。可靠性是指在具體的使用條件下,電子變壓器能正常工作到使用壽命為止。一般使用條件中對(duì)電子變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定電子變壓器受溫度影響強(qiáng)度的參數(shù)是軟磁材料的居里點(diǎn)。

軟磁材料居里點(diǎn)高,受溫度影響小;軟磁材料居里點(diǎn)低,對(duì)溫度變化比較敏感,受溫度影響大。例如錳鋅鐵氧體的居里點(diǎn)只有215℃,比較低,磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化,除正常溫度25℃而外,還要給出60℃,80℃,100℃時(shí)的各種參數(shù)數(shù)據(jù)。因此,錳鋅鐵氧體磁芯的工作溫度一般限制在100℃以下,也就是環(huán)境溫度為40℃時(shí),溫升必須低于60℃。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205℃,也低,使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370℃,可以在150℃~180℃以下使用。

高磁導(dǎo)坡莫合金的居里點(diǎn)為460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用。微晶納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃,取向硅鋼居里點(diǎn)為730℃,可以在300℃~400℃下使用。電磁兼容性是指電子變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁干擾,又能承受外界的電磁干擾。電磁干擾包括可聽見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。電子變壓器產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是磁芯的磁致伸縮。磁致伸縮系數(shù)大的軟磁材料,產(chǎn)生的電磁干擾大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)通常為最大(27~30)×10-6,必須采取減少噪聲抑制干擾的措施。

高磁導(dǎo)Ni50坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為25×10-6,錳鋅鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6。以上這3種軟磁材料屬于容易產(chǎn)生電磁干擾的材料,在應(yīng)用中要注意。3%取向硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為(1~3)×10-6,微晶納米晶合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.5~2)×10-6。這2種軟磁材料屬于比較容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。6.5%硅鋼的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6,高磁導(dǎo)Ni80坡莫合金的磁致伸縮系數(shù)為(0.1~0.5)×10-6,鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6以下。這3種軟磁材料屬于不太容易產(chǎn)生電磁干擾的材料。由磁致伸縮產(chǎn)生的電磁干擾的頻率一般與電子變壓器的工作頻率相同。如果有低于或高于工作頻率的電磁干擾,那是由其他原因產(chǎn)生的。

2.2完成功能電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種。

特殊元件完成的功能另外討論。變壓器完成的功能有3個(gè):功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個(gè):功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式。第一種是變壓器傳送方式,即外加在變壓器原繞組上的交變電壓,在磁芯中產(chǎn)生磁通變化,使副繞組感應(yīng)電壓,加在負(fù)載上,從而使電功率從原邊傳送到副邊。

傳送功率的大小決定于感應(yīng)電壓,也就是決定于單位時(shí)間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導(dǎo)率無(wú)關(guān),而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關(guān)。從飽和磁通密度來(lái)看,各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F鈷合金為2.3~2.4T,硅鋼為1.75~2.2T,鐵基非晶合金為1.25~1.75T,鐵基微晶納米晶合金為1.1~1.5T,鐵硅鋁合金為1.0~1.6T,高磁導(dǎo)鐵鎳坡莫合金為0.8~1.6T,鈷基非晶合金為0.5~1.4T,鐵鋁合金為0.7~1.3T,鐵鎳基非晶合金為0.4~0.7T,錳鋅鐵氧體為0.3~0.7T。作為電子變壓器的磁芯用材料,硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢(shì),而錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。

功率傳送的第二種是電感器傳送方式,即輸入給電感器繞組的電能,使磁芯激磁,變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),然后通過去磁變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲(chǔ)能,也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān),而與磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,電感量大,儲(chǔ)能多,傳送功率大。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)椋篘i80坡莫合金為(1.2~3)×106,鈷基非晶合金為(1~1.5)×106,鐵基微晶納米晶合金為(5~8)×105,鐵基非晶合金為(2~5)×105,Ni50坡莫合金為(1~3)×105,硅鋼為(2~9)×104,錳鋅鐵氧體為(1~3)×104。

作為電感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。傳送功率大小,還與單位時(shí)間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān),即與電子變壓器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高,在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下,傳送的功率越大。電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來(lái)完成,不管功率傳送大小如何,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比。

絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)完成。絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,與外加和變換的電壓大小有關(guān),電壓越高,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。紋波抑制通過電感器的自感電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要通過電感器的電流發(fā)生變化,線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會(huì)發(fā)生變化,使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢(shì),其方向與外加電壓方向相反,從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高,電流紋波的電流頻率比基頻大,因此,更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢(shì)抑制。電感器對(duì)紋波抑制的能力,決定于自感電勢(shì)的大小,也就是電感量大小,與磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān),Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導(dǎo)率大,處于優(yōu)勢(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小,處于劣勢(shì)。

2.3提高效率提高效率是對(duì)電源和電子變壓器的普遍要求。

雖然,從單個(gè)電子變壓器來(lái)看,損耗不大。例如,100VA電源變壓器,效率為98%時(shí),損耗只有2W并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)、成百萬(wàn)個(gè)電源變壓器,總損耗可能達(dá)到上十萬(wàn)W,甚至上百萬(wàn)W。還有,許多電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)到上千萬(wàn)kW•h。

顯然,提高電子變壓器的效率,可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后,可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,廢氣,污水,煙塵和灰渣,減少對(duì)環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源,又具有保護(hù)環(huán)境的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此,提高效率是對(duì)電子變壓器的一個(gè)主要要求。電子變壓器的損耗包括磁芯損耗(鐵損)和線圈損耗(銅損)。鐵損只要電子變壓器投入工作,一直存在,是電子變壓器損耗的主要部分。

因此,根據(jù)鐵損選擇磁芯材料,是電子變壓器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁材料的一個(gè)主要參數(shù)。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關(guān),在介紹軟磁材料的鐵損時(shí),必須說明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗。例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。

渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大,渦流損耗越小。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序?yàn)椋哄i鋅鐵氧體為108~109μΩ•cm,鐵鎳基非晶合金為150~180μΩ•cm,鐵基非晶合金為130~150μΩ•cm,鈷基非晶合金為120~140μΩ•cm,高磁導(dǎo)坡莫合金為40~80μΩ•cm,鐵硅鋁合金為40~60μΩ•cm,鐵鋁合金為30~60μΩ•cm,硅鋼為40~50μΩ•cm,鐵鈷合金為20~40μΩ•cm。因此,錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106~107倍,在高頻中渦流小,應(yīng)用占優(yōu)勢(shì)。但是當(dāng)工作頻率超過一定值以后,錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化,ρ變得相當(dāng)小,損耗迅速上升到很高水平,這個(gè)工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。

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