供電用干式變壓器的要求和技術參數

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文章來源:北京創聯匯通電氣 ????? 發布時間： 2021-02-22 06:20:00

導讀：1前言電源一般包含由軟磁芯組成的電磁器件。廣義上，電子設備和電子電路中的電磁器件稱為電子干式變壓器。電源中的干式變壓器或電磁裝置大多屬于電子式干式變壓器。然而，在

1前言

電源一般包含由軟磁芯組成的電磁器件。廣義上，電子設備和電子電路中的電磁器件稱為電子干式變壓器。電源中的干式變壓器或電磁裝置大多屬于電子式干式變壓器。然而，在一些電源中，干式變壓器對高壓電阻也有絕緣要求。例如，對于大容量DC電源和大容量不間斷電源，整流干式變壓器不是從一般的380伏或220伏輸入，而是從10KV或6.3KV輸入，這與一般的電子干式變壓器有很大的不同，但更類似于電力干式變壓器。因此，本文所討論的電源中的干式變壓器既包括電子式干式變壓器，也包括電力干式變壓器。

本文論述了電源中干式變壓器的要求和技術參數，以及它們與鐵心材料和導電材料的關系，以便更好地理解另外兩篇文章中介紹的干式變壓器鐵心材料和導電材料的較新動態中的內容，使三篇文章形成一個有機的整體。寫這三篇文章的目的是通過了解鐵芯材料和導電材料的近期動態，更好地把握干式變壓器在電源行業的發展趨勢，為電源行業、電子干式變壓器行業、電力干式變壓器行業的朋友提供參考。如有錯誤，請指正。

2一般要求

電源中的干式變壓器作為一種商品產品，具有在特定使用閾值下完成特定功能，追求較高性價比的一般要求。從總體需求出發，提出了使用門檻、完成功能、提高效率、降低成本四個總體需求。它包括技術性能和經濟指標。

2.1使用閾值

干式變壓器在電源中的使用門檻，包括可靠性和電磁兼容性。

使用可靠性是指在特定的使用閾值下，干式變壓器能夠正常工作，直至使用壽命。環境溫度對干式變壓器的影響較大。居里點決定了芯材受溫度影響的強度。芯材居里點高，受溫度影響小，芯材居里點低，受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體的居里點一般只有215，相對較低，磁通密度、磁導率和損耗都隨溫度變化。除正常溫度25外，還應給出60、80和100下的各種參數數據。錳鋅鐵氧體磁芯，一般工作溫度限制在100以下，即環境溫度為40時，溫升只允許低于60。鈷基非晶合金的居里點為205，也很低，使用溫度限制在100以下。鐵基非晶合金的居里點為370，可在150和180以下使用。鐵基納米晶合金的居里點為600，硅鋼的居里點為730，可在300以下使用。

決定導電材料工作溫度的不是銅線，而是外絕緣材料的耐熱等級。例如，QZ聚酯漆包線的耐熱等級為B，較高溫度為130。QY聚酰亞胺漆包線，耐熱等級為，較高工作溫度為220。

電磁兼容是指干式變壓器對外界不能產生電磁*的同時，還要承受外界的電磁*。電磁*包括聽得見的音頻噪聲和聽不見的高頻噪聲。干式變壓器產生電磁*的主要原因是鐵芯的磁致伸縮，磁致伸縮系數大的鐵芯材料產生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數為(2730)10-6，較大。用它制作鐵芯時，必須采取措施降低噪聲抑制。錳鋅軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數約為21 10-6，容易產生電磁*效應。3%取向冷軋硅鋼的磁致伸縮系數為(1-3) 10-6。鐵基納米晶合金的磁致伸縮系數為(0.5-2) 10-6，易產生電磁。6.5%無取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數約為0.110-6，不易產生電磁*。鐵芯材料產生的電磁*的頻率一般與干式變壓器的工作頻率相同。如果有電磁*低于或高于工作頻率，是其他原因造成的。導電材料不產生電磁*。用導電材料纏繞的線圈可能會產生電磁，這種電磁不是由導電材料引起的，而是由導電材料與線圈結構的相互作用引起的。 #p#分頁標題#e#

2.2完成功能

電源中的電磁器件主要分為干式變壓器和電感。干式變壓器有三種功能：輸電、電壓轉換和絕緣隔離。電感完成的功能有兩個：功率傳輸和紋波抑制。在這里，我們不僅要討論干式變壓器在電源中完成的功能，還要討論電感在電源中完成的功能。

干式變壓器的功率傳輸是這樣完成的：施加在干式變壓器初級繞組上的交流電壓在鐵芯中產生磁通變化，使次級繞組感應電壓并輸出給負載，從而將電能從初級傳輸到次級。傳輸功率取決于感應電壓，即單位時間內的磁通密度變化B。B與磁導率無關，與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有關。硅鋼的飽和磁通密度為1.5-2.03噸，鐵基非晶合金的飽和磁通密度約為1.58噸，鐵基納米晶合金的飽和磁通密度為1.2-1.45噸，鈷基非晶合金的飽和磁通密度為0.5-0.8噸.錳鋅軟磁鐵氧體的飽和磁通密度為0.30.5T.作為干式變壓器的核心材料，硅鋼占主導地位，鐵基非晶合金次之，MnZn軟磁鐵氧體次之。

電感的功率傳輸是這樣完成的：輸入電感繞組的電能激勵鐵芯，變成磁能，儲存起來，再通過退磁變成電能，釋放給負載。傳輸功率取決于鐵芯的儲能，也就是電感的電感。電感與飽和磁通密度沒有直接關系，與磁導率有關。高磁導率、高電感、高傳輸能量、高傳輸功率。鈷基非晶合金的磁導率為(1 1.5) 106，鐵基納米晶合金為(5 8) 105，鐵基非晶合金為(2 4) 105，硅鋼為(2 9) 104，MnZn軟磁鐵氧體為(1 3) 104。作為電感器的核心材料，鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占主導地位，硅鋼和錳

Zn軟磁鐵氧體處于劣勢。

傳送功率大小，還與單位時間內的傳送次數有關，即與干式變壓器和電感器的工作頻率有關。工作頻率越高，在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數的線圈條件下，傳送功率越大。

電壓變換通過干式變壓器初級和次級線組的匝數比來完成。不管干式變壓器功率傳送大小如何，初級和次級繞組的匝數比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

絕緣隔離，通過干式變壓器初級和次級繞組的絕緣結構來完成。外加電壓和變換電壓越高，絕緣結構越復雜。一般電子干式變壓器外加電壓小于1kV，絕緣結構比較簡單。電力干式變壓器外加電壓超過6kV，絕緣結構比較復雜，除了承受工頻試驗電壓而外，還要求承受短時沖擊試驗電壓。

電感器的紋波抑制通過自感電勢來實現。只要流過電感器的電流發生變化，線圈在鐵心中產生的磁通也會隨著發生變化，使電感器線圈兩端出現自感電勢，其方向與外加電壓方向相反，從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比工作頻率(基本頻率)高，因此更能被電感器產生的自感電勢抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢的大小，也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導率有關，從電感器抑制紋波能力來看，磁導率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好，磁導率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。#p#分頁標題#e#

2.3提高效率

提高效率是對電源中干式變壓器的一個重要要求，一個原因是由于石油、煤等能源價格上漲，節能成為當代的一個重要任務。許多電子設備，包括電源在內，不單要求考核負載時的能耗，還要求考核待機(接近空載)時的能耗。電源中干式變壓器的損耗是電源待機能耗中的主要部份。另一個原因是電源中干式變壓器數量巨大，雖然從單個電源中干式變壓器來看，損耗只有幾瓦，并不多。但是成十萬個，成百萬個電源中干式變壓器，總損耗可達到幾十萬瓦，幾百萬瓦，相當可觀。還有，許多電源中干式變壓器一直長期運行，年總損耗決不是一個小數目。因此，電源中干式變壓器必須提高效率，降低損耗成為一個重要要求。

電源中干式變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中干式變壓器投入運行，一直存在，是干式變壓器空載損耗的主要部分。在設計和制作干式變壓器鐵心時，要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與干式變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關，因此，鐵心材料的損耗必須注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度0.25T(250mT)和工作頻率100kHZ下的損耗。

鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗，渦流損耗與鐵心材料電阻率有關。電阻率越大，渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108 109 cm，在高頻中渦流損耗小，在電源中的高頻干式變壓器中應用占優勢，鐵基非晶合金電阻率為130 150 cm，硅鋼電阻率為20 40 cm，比MnZn軟磁鐵氧體小106 107倍，在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻干式變壓器中應用，必須采取措施，例如減少金屬鐵心材料的厚度，現在各種工作頻率的干式變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是：工頻50HZ 60HZ用0.50 0.23mm(500 230 m)，中頻400HZ至1kHZ用0.20 0.08mm(200 80 m)，1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm(100-25 m)，中高頻20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm(50-15 m),高頻100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm(20-5 m)，1MHZ以上用小于5 m。鐵基非晶合金由于噴帶設備原因，帶厚一般為40 25 m，在工頻50HZ至中頻400HZ 20kHZ時都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金，帶厚一般都小于18 m。以前人有認為：鐵心的填充系數與金屬鐵心材料的帶厚有關，并且提出一個計算的經驗公式，把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數的唯一因數。現在看來，這個計算鐵心填充系數的經驗公式并不完全成立。因為，鐵心填充系數并不只由鐵心材料帶厚一個因數決定，還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數影響。按照經驗公式計算，鐵基非晶合金帶厚25 m時，填充系數達不到0.80，而現在用25 m厚鐵基非晶合金帶材加工成的干式變壓器鐵心，填充系數一般都大于0.86，甚至還達到0.90。#p#分頁標題#e#

電源中干式變壓器線圈損耗是負載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導電材料的電阻率。現在電源中干式變壓器的導電材料絕大多數采用銅。而不用鋁，原因就是銅的電阻率小，造成的線圈損耗小，在有些體積小的高頻平面干式變壓器和薄膜干式變壓器中，導電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因為干式變壓器的體積小，散熱面積小，要求線圈損耗更小，才能保證平面干式變壓器和薄膜干式變壓器的線圈溫升不會超過規定的允許值。

2.4降低成本

降低成本是電源干式變壓器作為商品的一個重要要求，有時甚至是決定性的要求。因為在商品競爭中性能價格比是產品的主要指標。不注意降低成本，不注意降低價格，往往會在商品競爭中被淘汰。

電源中干式變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%，是較重要的部份。材料成本中鐵心材料和導電材料成本又占80%左右。因此鐵心材料和導電材料的市場動向，價格變化情況對電源中干式變壓器成本具有重大影響。降低材料成本，還與設計有關。在設計電源中干式變壓器時，應當根據鐵心材料和導電材料的價格，調整干式變壓器的用鐵心材料量與用導電材料量的比值(銅鐵比)，使材料成本在現有條件下達到較低。現在采用計算機設計電源中干式變壓器時，追求成本較低，應當成為一個主要限制條件。

制造成本也與設計和工藝有關。設計電源中干式變壓器時，不單要考慮鐵心材料和導電材料的價格和用量，還要考慮鐵心和線圈的結構以及干式變壓器總體結構是否便于加工和裝配?需用多少人工工時?需要多少設備和工模具?需要什么檢測設備和儀器來控制質量?這些都是干式變壓器設計者應當考慮的。

管理成本決定于人力和財力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工時利用率，減少管理人員和工人的比例等。充分利用財力，是指縮短生產周期，減少庫存，加快資金流轉等。這些主要由經營管理人員負責。但是與干式變壓器設計者也有關系。如果設計的干式變壓器便于加工和裝配，可以縮短生產周期。所用的原材料和配件便于采購，可以減少庫存。這些都有利于降低管理成本。

所以，一個好的電源中干式變壓器設計者，除了了解干式變壓器理論和設計方法而外，還要了解鐵心材料、導電材料、絕緣材料、結構材料的價格和市場動向，還要了解鐵心、線圈和干式變壓器總體加工和裝配工藝，還要了解實現質量控制的檢測參數和儀器設備，還要了解生產管理知識和干式變壓器市場動向等等。只有知識全面的干式變壓器設計者，才能設計出性能好，價格合式的干式變壓器產品。#p#分頁標題#e#

3 干式變壓器技術參數

下面分析干式變壓器主要技術參數與鐵心材料和導電材料之間的關系。

3.1干式變壓器容量

干式變壓器輸入容量W1=U1I1，干式變壓器輸出容量W2=U2I2，W2= W1，是干式變壓器效率。

U1是輸入電壓，也是初級繞組上加的電壓U1=2KufN1△BAcKc，Ku是電壓波形系數，f是工作頻率，N1是初級繞組匝數，△B是鐵心中磁通密度變化量，Ac是鐵心截面積，鐵心截面積乘以鐵心的填充系數Kc，是鐵心實際截面積。

U2是輸出電壓，也是次級繞組上的電壓，U2=U1N1/N2，由初級繞組與次級繞組的匝數比來決定。

I1是輸入電流，也是初級繞組中的電流，I1=Jq1，J是電流密度，q1是初級繞組導線截面積。

W1=U1I1=2KufN1△BAkc Jq1=2Kuf△BJAckcN1q1

N1q1是初級繞組所占窗口面積。設次級繞組所占窗口面積和效率相當，則總窗口面積，A0=(1+ )N1q1/k0，k0是窗口的填充系數。N1q1=A0kO/(1+ )。

W1=2Kuf△BJAckc A0kO/(1+ )。

l 鐵心材料重量Gc=kcAclc c，lc是平均磁路長度。kcAc=Gc/lc c。

導電材料重量GN=k0AolN N，lN是線圈平均匝長。K0AO=GN/lN N。

(1+ )W1=2KufKc△B K0J 。 (1+ )W1是干式變壓器總容量=W1+W2

從這個公式可以看出，干式變壓器總容量與鐵心材料的關系連涉到三個參數：鐵心中磁通變化量△B，鐵心材料重量Gc，平均磁路長度lc，干式變壓器總容量與導電材料的關系也牽涉到三個參數：電流密度J，導電材料重量GN，線圈平均匝長lN。另外，鐵心材料密度 c和導電材料密度 N也有影響。

其中△B是鐵心中磁通變化量，一般對單方向激磁干式變壓器，△B=Bm-Br，對雙方向激磁干式變壓器，△B=2Bm。選取Bm時，不單要考慮鐵心材料的飽和磁通密度，還要考慮鐵心材料在工作頻率f下的損耗。

J是導線的電流密度，決定于導電材料外包絕緣耐熱等級，也就是允許溫升，在選取了J時，還要考慮干式變壓器的散熱條件。

3.2效率和損耗

干式變壓器效率 =P2/P1，P2是輸出功率，P1是輸入功率。

P1=P2+Pk， =P2/P2+PK=1- =1- PK是負載損耗，PK=PO+PN，PO是空載損耗，也就是鐵心損耗。PN是線圈損耗。

鐵心損耗P0=PC(T/HZ)GC，PC(T/H2)是在一定磁通密度T和一定工作頻率HZ下的單位重量鐵心損耗。可以自己進行測試，或者由鐵心材料生產單位提供測試數據。除了MnZn軟磁鐵氧體的PC受溫度影響比較大而外，其他金屬鐵心材料的單位重量損耗PC與溫度無關。總的鐵心損耗與鐵心單位重量損耗PC和鐵心重量GC成正比。

線圈損耗PN=I12r1+I22r2，r1是初級繞組電阻，r2是次級繞組電阻，都會受溫度影響，必須說明是在什么溫度下的線圈損耗和負載損耗。例如對A級絕緣的線圈，要給出75℃溫度下的線圈損耗和負載損耗。

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繞組電阻r1= lN1N1/q1，r2= lN2N2/q2，是導電材料電阻率，lN1，lN2是初級繞組和次級繞組平均匝長，q1 q2是初級繞組和次級繞組導線截面積。

電流I1=Jq1，I2=Jq2，假定初級繞組和次級繞組導線電流密度都一樣為J。

PN=I12r1+I22r2=J2q12 lN1N1/q1+ J2q22 lN2N2/q2=J2 (lN1N1q1+lN2N2q2)=J2 GN/ N，GN是線圈導電材料重量， N是導電材料密度。

從公式看出，線圈損耗與導電材料的電阻率、所取的電流密度J的平方和線圈導電材料重量GN成正比,和導電材料密度 N成反比。

值得注意的是，干式變壓器的工作磁通密度受鐵心損耗的限制，因為單位重量鐵心損耗Pc是在一定磁通密度下測試數值的，如果工作磁通密度與測試時的磁通密度不同，要進行調整，或者在工作磁通密度下重新測試。因此，在設計干式變壓器時要注意，不能只根據鐵心材料的飽和磁通密度，還要考慮鐵心損耗來選取干式變壓器的工作磁通密度。如果選擇不當，會造成鐵心損耗過大，干式變壓器工作時的溫升會超過規定數值。

負載損耗Pk包括空載損耗PO和線圈損耗PN兩部分，如果PN遠大于PO，負載損耗PK可認為就是線圈損耗。但是在中頻和高頻干式變壓器中，鐵心損耗PC比較大，由它形成的空載損耗PO比較大，有時甚至超過載圈損耗PN，就不可以忽略，而必須同時考慮鐵心損耗和線圈損耗。

4 電感器技術參數

4.1電感

電感L= 0 Kc N2

電感L與鐵心磁導率 0 ,鐵心填充系數Kc，鐵心截面積Ac成正比，與鐵心平均磁路長度lc成反比，與線圈匝數平方成正比。為了討論電感L與鐵心之間的關系，一般用電感系數AL=L/N2。

AL= 0 KcAc/lc= 0 KcAclc/lc2= 0 KcGc/lc2 c

電感系數與鐵心磁導率 0 ，鐵心填充系數Kc，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長度lc的平方、鐵心材料密度 c成反比。

4.2電感能量

WL= LIM2，IM是電感線圈中電流的較大值，IM=Jq，J是線圈電流密度，q是導線截面積。

WL= 0 kc N2J2q2= 0 J2 ，GN是導電材料重量，GN=NqlN N。

從公式看出，電感能量與鐵心材料磁導率 0 ，鐵心重量Gc成正比，與鐵心平均磁路長度lC的平方和鐵心材料密度 c成反比;與導電材料的電流密度J的平方，導電材料重量GN的平方成正比，與線圈的平均匝長lN和導電材料密度 N的平方成反比。

5 結語