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电子变压器基础知识解析

作者:点击:637 发布时间:2022-11-30

电子变压器是一种高频交流电压输出的电子装置,将市电的交流电压转化为直流,然后通过半导体开关装置、电子元件和高频变压器绕组。它也是电子理论中描述的交直交逆变电路。 简单地说,它主要由高频变压器芯(芯)和两个或两个以上的线圈组成,它们不改变位置,通过电磁感应转换为交流电压和电流。在高频变压器的输出端,提供不同电压等级的高频交流或直流。

电子变压器

电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)又称电子电力变压器(Electronic Power Transformer, EPT),固态变压器(Solid State Transformer, SST)柔性变压器(Flexible Transformer, FT),是一种通过电力电子技术实现能量传递和电力变换的新型变压器。分析总结现有电力电子变压器拓扑结构,可定义电力电子变压器:所谓电力电子变压器,是一种基于电磁感应原理的电力电子变换技术和高频电能变换技术,实现静态电力设备的另一种电力特性。这里提到的电能的电力特性主要是指振幅值、频率、相位、相数、相序和波形。

特点

电子变压器是一种新型的电能转换设备。它不仅具有电压转换、电气隔离、能量传递等传统电力变压器的基本功能,还具有调节电能质量、控制系统趋势、无功率补偿等附加功能。电力电子变压器之所以能够实现这些附加功能,主要是因为在引入电力电子变换技术和控制技术后,的电压或电流的振幅值和相位,并根据实际需要控制系统的趋势。因此,电力电子变压器可以实现更稳定、更灵活的输电,可以解决当今电力系统中的许多问题,其应用前景也将非常广阔。

与传统的电力变压器相比,PET 具有以下特点:

①体积小,重量轻;

②可冷却空气,无绝缘油隔离,减少污染,维护方便,安全性好;

③能使变压器副方输出恒定幅值的电压;

④它可以提高电能质量,获得正弦波形的输入电流和输出电压,实现单位功率因数,可以控制变压器两侧的电压和电流,节功率因数;

⑤大功率电力电子设备具有断路器的功能,可以瞬间(在微妙的时间内)关闭故障电流,节省继电保护装置。

此外,电力电子变压器还有一些特殊用途,如与电池连接后提高供电可靠性;可实现三相变、三相变、四相等特殊变换功能;可同时输出交流电和直流电。在文献中,作者对传统电力变压器和自平衡电力电子变压器进行了模拟比较和分析。文献主要研究了五种工作条件。从模拟结果来看,PET 无论是满载额定运行、低压侧一相断线、三相短路、高压侧电压三相不平衡、谐波污染,都具有良好的输入输出特性,可避免一侧系统不平衡对另一侧系统的影响,因此,比传统的电力变压器具有更好的性能。

分类

A 按工作频率分类:

工频变压器:工作频率为50Hz或60Hz

工作频率为4000的中频变压器Hz或1KHz

音频变压器:工作频率为20Hz或20KHz

超声变压器:20KHz不超过100KHz

高频变压器:工作频率通常较高KHz至上百KHz以上。

B 按用途分类:

电源变压器:用于提供电子设备所需电源的变压器

音频变压器:音频放大电路和音响设备的变压器

脉冲变压器:在脉冲电路中工作的变压器,其波形一般为单极矩形脉冲波

特种变压器:参量变压器、稳压变压器、超隔离变压器、传输线变压器、漏磁变压器等具有特殊功能的变压器

开关电源变压器:用于开关电源电路中的变压器

通信变压器:在通信网络中用于隔离和滤波的变压器

材料

电子变压器材料主要有

骨架(Bobbin,Base,Case)

线材(Copper Wire)

磁芯(Ferrite Core,SI-Steel Lamination)

铜箔(Copper Foil)

绝缘胶带(Tape)

安全胶带,又称档墙(Margin Tape)

套管(Tube)

化学材料:焊锡(Solder Bar),绝缘油(Varnish),胶类(Epoxy,Glue),稀释剂(Thinner),助焊剂(Scaling Powder),油墨(Ink)

工艺流程

1)铜箔、骨架等预加工;(beforehand process)

2)绕线;(winding coil)

3)理线(配线)(termianl lead wire);

4)焊锡一;(dip solder 1)

5)组合磁芯,包括点胶、包胶带;(assembly)

6)测试一;(test 1)

7)烤胶;(bake glue)

8)含浸;(dip varnished or vacuumed varnish)

9)烤凡立水;(bake varnish)

10)焊锡二;(dip solder 2)

11)测试二;(test 2)

12)外观检查和清理;(inspection&cleaning)

13)成品包装;(packing)

注:此流程为一般流程,可删除具体产品的部分流程。

原理

电力电子变压器是一种输配电装置,结合电力电子变压器(整流器、逆变器)和高频变压器,实现传统电力变压器的电气转换、能量传输和系统隔离的基本功能。由于目前应用于电力系统的功率设备在容量和耐压等级方面低于输电系统,预计电力电子变压器将首先应用于配电领域。 [2]

电力电子变压器的电力电子变换器(整流、逆变器)应包括主电路和控制电路。对于配电系统的变压器,为了与传统的电力变压器一致,将连接到电源侧的电力电子变压器及其对应的高频变压器定义为一次侧;将连接到负载侧的电力电子变压器及其对应的高频变压器定义为二次侧。两者通过高频变压器连接。 [2]

工作原理如下:在一次侧,工频母线的高压通过电力电子变换器变成高频交流方波,即一次侧增加电压频率,实现升频。由于变压器的体积与铁芯材料的饱和磁通密度和绕组的最大允许温升有关,饱和磁通密度大的变压器也很大。铁芯材料的饱和磁通量密度与变压器的工作频率成反比。因此,一次侧电力电子变换器的升频效应可以提高铁芯材料的利用率,减少变压器的体积,节省变压器的空间。与传统电力变压器相比,这也是电力电子变压器的一大优势。

特点

输入为电子变压器AC220V,输出为AC12V,功率可达50W-300W。它主要是在高频电子镇流器电路的基础上开发的变压器电路,性能稳定、体积小、功率大,克服了传统硅钢板变压器体大、重、价格高的缺点。

电子变压器是一种无稳压开关电源,实际上是一种逆变器。首先,将交流电流转换为直流电。然后用电子元件形成高频振荡器,将直流电转换为高频交流电,通过开关变压器输出所需电压,然后用于二次整流电器。开关电源体积小、重量轻、价格低,广泛应用于各种电器中。

根据高频开关管的不同驱动方式,可分为自激振荡式和他激式。

电子变压器

如图所示。电子变压器的工作原理与开关电源相似VD1~VD4由振荡变压器组成的整流桥将市电变成直流电T1,三极管VT1、VT由2组成的高频振荡电路将脉动直流转化为高频电流,然后输出变压器T2对高频高压脉冲降压,获得所需的电压和功率。R1.限流电阻。电阻R2、电容C二极管双向触发VD构成启动触发电路。 三极管VT1、VT2选用S13005,其B为15~2 0倍。也可用C3093等BUceo>=35OV大功率三极管。触发二极管VD5选用32V左右的DB3或VR60。振荡变压器可自制,用音频线绕组 H7 X 10 X 6的磁环上。TIa、T1b绕3匝,Tc绕1匝。变压器输出铁氧体T2.磁心也需要自制,边长27mm、宽20mm、厚10mm的EI型铁氧体。T2a用直径为0.45mm高强度漆包线绕100匝,T2b用直径为1.25mm高强度漆包线绕8匝。 二极管VD1~VD4选用 IN选用4007型双向触发二极管DB3型,电容C1~C3选用聚丙烯聚酯聚酯电容器,耐压250V。

电路工作时,A点工作电压约12V;B点约为25V;C点约为105V;D点约为10V。若电压不符合上述值,或电路不振荡,则应检查电路是否有错焊、漏焊或虚焊。然后再检查VT1、VT2是否良好,T1a、T1b相位是否正确。整个电路安装成功后,可装入金属材料制成的小盒子,有利于屏蔽和散热,但必须注意电路与外壳的绝缘。引外,改变T2 a、b二线圈的匝数可以改变输出的高频电压。

他激式

桥式整流器接通工频市电源后,通过Rs电流除流入IC脚VCC除上启动电流外,其余大部分电流对电容CVCC1充电。当IC脚VCC上电压达到启动阈值(11.8 V)后,IC开始工作。一旦IC启动,由CSNUB、DCP1和DCP由2组成的电荷泵电路是IC脚VCC馈送电流。自举二极管DB和电容CB为IC高侧驱动电路供电。齐纳二极管DZ用作分流IC防止电流过剩IC损坏。

卤素灯丝电阻为带正温度系数,室温下的冷电阻远小于灯工作时的热电阻。灯启动时,会产生较大的浪涌电流,影响灯的使用寿命。但IR提供软启动操作,可避免浪涌电流。灯启动时,IR2161输出125 kHz的高频。高频变压器在系统中输出T初级漏感是固定的,在较高的频率下呈现较高的阻抗,初级绕组上的电压较低。变压器输出电压低,灯电流小,避免触发保护电路。约经1 s电路以较低的频率运行。在这个过程中,IC脚3外部电容CSD上的电压从OV增加到5V。

当空载时,VCSD=OV,振荡器的频率约为60kHz。在最大负载下,VCSD=5V,振荡器的频率约为30kHz。当输出短路时,大电流流流过半桥,RCS感测。只要IC脚4(CS)上电压超过1V门限电平持续50ms系统将在上述时间关闭。假如负载超过最大负载的50%,IC脚4上的电压会超过O 5 V门槛电压较低,经0.5S之后,系统将关闭。短路保护和过载保护都可以自动复位。IR2161还提供过热关闭功能。芯片结温超过135℃当温度限制值过高时,半桥开关将停止工作,以避免MOSFET烧坏。

用途

电子变压器广泛应用于传统照明灯具中,如日光灯、台灯、节能灯、广告灯等。电子变压器几乎可以使用,使用电子变压器后,启动器可以省略。在LED在照明方面,大多数新产品也使用电子变压器。在变压功能上,电子变压器效率高,成本低,节约铁铜材料,结构小,重量轻。缺点是耐压性和耐大电流冲击性能比铁变压器差。

应用于电源技术

电源装置中的电子变压器一般采用由软磁芯制成的电子变压器(软磁元件)。虽然空芯电子变压器和压电陶瓷变压器没有软磁芯,但到21世纪初,绝大多数电源装置中的电子变压器仍然使用软磁芯。

因此,讨论电力技术与电子变压器的关系:电子变压器在电力技术中的作用、电力技术对电子变压器的要求、电子变压器采用新软磁材料和新磁芯结构对电力技术发展的影响,肯定会引起电力行业和软磁材料行业朋友的兴趣。百度百科全书提出了一些意见,以促进电力行业与电子变压器行业与软磁材料行业之间的对话,相互交流,共同发展。

1.电力技术对电子变压器的要求

电力技术对电子变压器的要求,就像所有作为商品的产品一样,用条件下完成特定功能的最佳性能价格比。有时可以关注价格和成本,有时可以关注效率和性能。轻、薄、短、小是电子变压器的发展方向,强调降低成本。从总体要求出发,可对电子变压器提出使用条件、功能完成、效率提高、成本降低四个具体要求。 [4]

电子变压器的使用条件包括两个方面:

可靠性和电磁兼容性。可靠性是指电子变压器在特定使用条件下能够正常工作到使用寿命。环境温度对电子变压器的影响最大。决定电子变压器温度影响强度的参数是软磁材料的居住点。软磁材料居住点高,温度高度影响小;软磁材料居里点低,对温度变化比较敏感,受温度影响大。

例如:锰锌铁氧体的居里点只有215℃,比较低,磁通密度、磁导率和损耗都随温度发生变化,除正常温度25℃而外,还要给出60℃,80℃,100℃时的各种参数数据。因此,锰锌铁氧体磁芯的工作温度一般限制在100℃以下,也就是环境温度为40℃时,温升必须低于60℃。钴基非晶合金的居里点为205℃,也低,使用温度也限制在100℃以下。铁基非晶合金的居里点为370℃,可以在150℃~180℃以下使用。高磁导坡莫合金的居里点为460℃至480℃,可以在200℃~250℃以下使用。微晶纳米晶合金的居里点为600℃,取向硅钢居里点为730℃,可以在300℃~400℃下使用。(电磁兼容性是指电子变压器既不产生对外界的电磁干扰,又能承受外界的电磁干扰。电磁干扰包括:可听见的音频噪声和听不见的高频噪声。电子变压器产生电磁干扰的主要原因是磁芯的磁致伸缩。磁致伸缩系数大的软磁材料,产生的电磁干扰大。)铁基非晶合金的磁致伸缩系数通常为最大(27~30)×10-6,必须采取减少噪声抑制干扰的措施。高磁导Ni50坡莫合金的磁致伸缩系数为25×10-6,锰锌铁氧体的磁致伸缩系数为21×10-6。以上这3种软磁材料属于容易产生电磁干扰的材料,在应用中要注意。3%取向硅钢的磁致伸缩系数为(1~3)×10-6,微晶纳米晶合金的磁致伸缩系数为(0.5~2)×10-6。这2种软磁材料属于比较容易产生电磁干扰的材料。6.5%硅钢的磁致伸缩系数为0.1×10-6,高磁导Ni80坡莫合金的磁致伸缩系数为(0.1~0.5)×10-6,钴基非晶合金的磁致伸缩系数为0.1×10-6以下。这3种软磁材料属于不太容易产生电磁干扰的材料。由磁致伸缩产生的电磁干扰的频率一般与电子变压器的工作频率相同。如果有低于或高于工作频率的电磁干扰,那是由其他原因产生的。

3、完成功能电子变压器从功能上区分主要有变压器和电感器2种。

特殊元件完成的功能另外讨论。

变压器完成的功能有3个:功率传送、电压变换、绝缘隔离;

电感器完成功能有2个:功率传送和纹波抑制。功率传送有2种方式。

第一种是变压器传送方式,即外加在变压器原绕组上的交变电压,在磁芯中产生磁通变化,使副绕组感应电压,加在负载上,从而使电功率从原边传送到副边。传送功率的大小决定于感应电压,也就是决定于单位时间内的磁通密度变量ΔB。ΔB与磁导率无关,而与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。从饱和磁通密度来看,各种软磁材料的Bs从大到小的顺序为:铁钴合金为2.3~2.4T,硅钢为1.75~2.2T,铁基非晶合金为1.25~1.75T,铁基微晶纳米晶合金为1.1~1.5T,铁硅铝合金为1.0~1.6T,高磁导铁镍坡莫合金为0.8~1.6T,钴基非晶合金为0.5~1.4T,铁铝合金为0.7~1.3T,铁镍基非晶合金为0.4~0.7T,锰锌铁氧体为0.3~0.7T。作为电子变压器的磁芯用材料,硅钢和铁基非晶合金占优势,而锰锌铁氧体处于劣势。功率传送的

第二种是电感器传送方式,即输入给电感器绕组的电能,使磁芯激磁,变为磁能储存起来,然后通过去磁变成电能释放给负载。传送功率的大小决定于电感器磁芯的储能,也就是决定于电感器的电感量。电感量不直接与饱和磁通密度有关,而与磁导率有关,磁导率高,电感量大,储能多,传送功率大。各种软磁材料的磁导率从大到小顺序为:Ni80坡莫合金为(1.2~3)×106,钴基非晶合金为(1~1.5)×106,铁基微晶纳米晶合金为(5~8)×105,铁基非晶合金为(2~5)×105,Ni50坡莫合金为(1~3)×105,硅钢为(2~9)×104,锰锌铁氧体为(1~3)×104。作为电感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金占优势,硅钢和锰锌铁氧体处于劣势。传送功率大小,还与单位时间内的传送次数有关,即与电子变压器的工作频率有关。工作频率越高,在同样尺寸的磁芯和线圈参数下,传送的功率越大。电压变换通过变压器原绕组和副绕组匝数比来完成,不管功率传送大小如何,原边和副边的电压变换比等于原绕组和副绕组匝数比。绝缘隔离通过变压器原绕组和副绕组的绝缘结构来完成。绝缘结构的复杂程度,与外加和变换的电压大小有关,电压越高,绝缘结构越复杂。纹波抑制通过电感器的自感电势来实现。只要通过电感器的电流发生变化,线圈在磁芯中产生的磁通也会发生变化,使电感器的线圈两端出现自感电势,其方向与外加电压方向相反,从而阻止电流的变化。纹波的变化频率比基频高,电流纹波的电流频率比基频大,因此,更能被电感器产生的自感电势抑制。电感器对纹波抑制的能力,决定于自感电势的大小,也就是电感量大小,与磁芯的磁导率有关,Ni80坡莫合金、钴基非晶合金、铁基微晶纳米晶合金磁导率大,处于优势,硅钢和锰锌铁氧体磁导率小,处于劣势。

4、提高效率提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求。

a、提高电子变压器的效率。

例如:100VA电源变压器,效率为98%时,损耗只有2W并不多。但是成十万个、成百万个电源变压器,总损耗可能达到上十万W,甚至上百万W。还有,许多电源变压器一直长期运行,年总损耗相当可观,有可能达到上千万kW?h。显然,提高电子变压器的效率,可以节约电力。节约电力后,可以少建发电站。少建发电站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放CO2,SO2,NOx,废气,污水,烟尘和灰渣,减少对环境的污染。既具有节约能源,又具有保护环境的双重社会经济效益。因此,提高效率是对电子变压器的一个主要要求。

b、电子变压器的设计

电子变压器的损耗包括磁芯损耗(铁损)和线圈损耗(铜损)。铁损只要电子变压器投入工作,一直存在,是电子变压器损耗的主要部分。因此,根据铁损选择磁芯材料,是电子变压器设计的主要内容,铁损也成为评价软磁材料的一个主要参数。铁损与电子变压器磁芯的工作磁通密度和工作频率有关,在介绍软磁材料的铁损时,必须说明是在什么工作磁通密度下和什么工作频率下的损耗。

例如:P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作频率400Hz下的铁损。P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作频率100kHz下的铁损。软磁材料包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗。涡流损耗又与材料的电阻率ρ成反比。ρ越大,涡流损耗越小。各种软磁材料的ρ从大到小的顺序为:锰锌铁氧体为 108~109μΩ?cm,铁镍基非晶合金为150~180μΩ?cm,铁基非晶合金为130~150μΩ?cm,钴基非晶合金为 120~140μΩ?cm,高磁导坡莫合金为40~80μΩ?cm,铁硅铝合金为40~60μΩ?cm,铁铝合金为30~60μΩ?cm,硅钢为 40~50μΩ?cm,铁钴合金为20~40μΩ?cm。因此,锰锌铁氧体的ρ比金属软磁材料高106~107倍,在高频中涡流小,应用占优势。但是当工作频率超过一定值以后,锰锌铁氧体磁性颗粒之内的绝缘体被击穿和熔化,ρ变得相当小,损耗迅速上升到很高水平,这个工作频率就是锰锌铁氧体的极限工作频率。

各零件作用

一般店铺照明用的射灯、筒灯等用的电子变压器。220v交流变直流12v50W,里面有一个7个接线头的磁铁线圈。3个电阻,6个二级管,4个电容,2个三极管。其作用分别为:

电阻:1启动电阻,2限流电阻,3稳压电阻

二极管:有四个二极管是整流用的,其余的两个也是整流

电容:滤波

三极管:一个是开关三极管,另一个是启动用的

验收试验

(1)测量绕组在各个分接位置的直流电阻值;

(2)检测各个分接位置的电压比与铭牌是否相符;

(3)测定绕组的极性和联结组标号;

(4)拆去铁心接地片,用2500V兆欧表检测铁心的绝缘状况,符合要求后装好接地片,检测铁心接地是否良好(铁心只能一点接地);

(5)工频耐压试验,容量800KVA以下能通过工频耐压试验,容量800KVA及以上,有条件时进行施加工频电压,按GB50150—90标准要求。

(6)用2500V兆欧表检测变压器高压对地、低压对地及高压对地压的绝缘状况。

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