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子变压器基础知识解析

2019-09-12 17:06 来源:未知

  电子变压器,具有将市电的交变电压转变为直流后再通过半导体开关器件以及电子元件和高频变压器绕组构成一种高频交流电压输出的电子装置,也是在电子学理论中所讲述的一种交直交逆变电路。 简单来说,它主要是由高频变压器磁芯(铁芯)与两个或两个以上的线圈组成,它们互不改变位置,从一个或两个以上的电回路中,通过交流电力借助电磁感应作用,转变成交流电压及电流。而在高频变压器的输出端,对一个或两个以上的用电回路,供给不同电压等级的高频交流或直流电。

  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)和柔性变压器(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。对现有的电力电子变压器拓扑结构进行分析和总结,可以对电力电子变压器作出如下定义:所谓电力电子变压器,是一种将电力电子变换技术与基于电磁感应原理的高频电能变换技术进行结合,实现将一种电力特征的电能变换为另一种电力特征的电能的静止电力设备。这里所说的电能的电力特征主要是指电压(或电流)的幅值、频率、相位、相数、相序和波形等方面。

  电子变压器是一种新型的电能转换设备,它不仅具备传统电力变压器所具有的电压变换、电气隔离和能量传递等基本功能,还能够实现电能质量的调节、系统潮流的控制以及无功功率补偿等其它附加功能。电力电子变压器之所以能够实现这些附加功能,主要是因为它通过引入电力电子变换技术及控制技术之后,能够对变压器的原方和副方的电压或者电流的幅值、相位进行灵活的处理和控制,并且可以根据实际需要对系统的潮流进行控制。因而电力电子变压器可以实现更为稳定和灵活的输电,可以解决当今电力系统中所存在的许多问题,其应用的前景也将十分广阔。

  ④能够改善电能质量,可以得到正弦波形的输入电流、输出电压且能够实现单位功率因数,且变压器两侧的电压、电流均可控,因而能任意调节功率因数;

  ⑤具有断路器的功能,大功率电力电子器件可瞬时(在微妙级时间内)关断故障大电流,省去了继电保护装置。

  另外,电力电子变压器还具有一些特殊的用途如:与蓄电池连接之后,可以提高供电的可靠性;能够实现三相变两相或三相变四相等特殊变换功能;能够同时输出交流电和直流电等。在文献中,作者对常规电力变压器和自平衡电力电子变压器进行了仿真对比和分析,文献主要针对五种工况进行了仿真研究,从仿真的结果来看,PET 无论是在满载额定运行、低压侧一相断线、三相短路,以及高压侧电压三相不平衡和有谐波污染等工况下都有较好的输入输出特性,能够避免一侧系统的不平衡对另一侧系统的影响,因而较常规电力变压器具有更加优良的性能。

  特种变压器:具有一种特殊功能的变压器,如参量变压器,稳压变压器,超隔离变压器,传输线变压器,漏磁变压器

  电力电子变压器是一种将电力电子变换器(整流器、逆变器)和高频变压器相结合,实现传统电力变压器电气量变换、能量传递以及系统隔离等基本功能的输配电装置。由于目前应用于电力系统的功率器件,无论在容量还是耐压等级方面,都较输电系统低,所以预计电力电子变压器未来在电力系统应用应首先在配电领域实现。 [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两部分组成。对于配电系统的变压器,为了与常规电力变压器一致,所以将与电源侧相连的电力电子变换器及与其对应的高频变压器的相应绕组定义为一次侧;将与负荷侧相连的电力电子变换器及与其对应的高频变压器的相应绕组定义为二次侧。二者之间通过高频变压器相连。 [2]

  工作原理为:在一次侧,工频母线高压通过电力电子变换器的作用变成高频交流方波,即一次侧将电压的频率提高,实现升频的作用。由于变压器的体积与铁芯材料饱和磁通密度和绕组最大容许温升有关,饱和磁通密度大的变压器的体积也大。而铁芯材料的饱和磁通密度又和变压器的工作频率成反比,所以一次侧电力电子变换器的升频作用,可以提升铁芯材料的利用率,以减小变压器的体积,节省变压器所占空间。这也是电力电子变压器相比于传统电力变压器的一大优点。

  电子变压器,输入为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研制出来的一种变压器电路,其性能稳定,体积小,功率大,因而克服了传统的硅钢片变压器体大、笨重、价高等缺点。

  电子变压器就是无稳压型开关电源,它实际上就是一种逆变器。首先把交流电整流成直流电。然后用电子元件组成一个高频振荡器把直流电变为高频交流电,通过开关变压器输出所需要的电压然后二次整流供用电器使用。开关电源具有体积小,重量轻,价格低等优点,所以被广泛用在各种电器中。

  电子变压器工作原理电路如图所示。电子变压器原理与开关电源工作原理相似,二极管VD1~VD4构成整流桥把市电变成直流电,由振荡变压器T1,三极管VT1、VT2组成的高频振荡电路,将脉动直流变成高频电流,然后由铁氧体输出变压器T2对高频高压脉冲降压,获得所需的电压和功率。R1为限流电阻。电阻R2、电容C1和双向触发二极管VD5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的大功率三极管。触发二极管VD5选用32V左右的DB3或VR60。振荡变压器可自制,用音频线匝。铁氧体输出变压器T2也需自制,磁心选用边长27mm、宽20mm、厚10mm的EI型铁氧体。T2a用直径为0.45mm高强度漆包线mm高强度漆包线型,双向触发二极管选用DB3型,电容C1~C3选用聚丙聚酯涤纶电容,耐压250V。

  电路工作时,A点工作电压约为12V;B点约为25V;C点约为105V;D点约为10V。如果电压不满足上述数值,或电路不振荡,则应检查电路有无错焊、漏焊或虚焊。然后再检查VT1、VT2是否良好,T1a、T1b的相位是否正确。整个电路装调成功后,可装入用金属材料制作的小盒内,发利于屏蔽和散热,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,则可改变输出的高频电压。

  在接通工频市电电源后,桥式整流器通过Rs的电流除流入IC脚VCC上的启动电流外,其余的大部分电流对电容CVCC1充电。当IC脚VCC上的电压达到启动阈值(11.8 V)后,IC开始工作。一旦IC启动,由CSNUB、DCP1和DCP2组成的电荷泵电路为IC脚VCC馈送电流。自举二极管DB和电容CB为IC高侧驱动器电路供电。齐纳二极管DZ用作分流IC过剩电流,以防止IC损坏。

  卤素灯灯丝电阻为带正温度系数,在室温下的“冷电阻”远小于灯工作时的“热电阻”。在灯启动时,会产生较大的浪涌电流,影响灯寿命。但IR2161提供软启动操作,可以避免浪涌电流产生。在灯启动期间,IR2161输出125 kHz的高频。由于系统中输出高频变压器T1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。致使变压器输出电压较低,灯电流较小,同时也避免了保护电路被触发。约经1 s的时间,电路以较低频率运行。在此过程中,IC脚3外部电容CSD上的电压从OV增加到5V。

  当空载时,VCSD=OV,振荡器频率约60kHz。在最大负载下,VCSD=5V,振荡器频率约30kHz。当输出短路时,大电流流过半桥,被RCS感测。只要IC脚4(CS)上电压超过1V的门限电平持续50ms以上的时间,系统将关闭。如果负载超过最大负载的50%,IC脚4上的电压将超过O 5 V较低的门坎电压,在经0.5S之后,系统将关闭。不论是短路保护还是过载保护,都能自动复位。IR2161还提供过热关闭功能。当芯片结温超过135℃的过温度限制值时,半桥开关将停止工作,以避免MOSFET烧坏。

  电子变压器在传统照明灯具中的应用十分普遍,如日光灯、台灯、节能灯、广告灯等等几乎都可以使用电子变压器,并且采用电子变压器之后,可以省掉启动器。在LED照明中,新品也大都采用电子变压器。主要是电子变压器在变压功能上,效率高、成本底,节约铁铜材料,结构小,重量轻。不足的是耐压和耐大电流冲击性能较铁质变压器差。

  电源装置中的电子变压器一般要使用由软磁磁芯制成的电子变压器(软磁电磁元件)。虽然,已经有不用软磁磁芯的空芯电子变压器和压电陶瓷变压器,但是,到21世纪初期,绝大多数的电源装置中的电子变压器,仍然使用软磁磁芯。

  因此,讨论电源技术与电子变压器之间的关系:电子变压器在电源技术中的作用、电源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源技术发展的影响,一定会引起电源行业和软磁材料行业的朋友们的兴趣。百度百科提出一些看法,以便促成电源行业与电子变压器行业和软磁材料行业之间就电子变压器和软磁材料的有关问题进行对话,互相交流,共同发展。

  电源技术对电子变压器的要求,像所有作为商品的产品一样,是在具体使用条件下完成具体的功能中追求性能价格比最好。有时可能偏重价格和成本,有时可能偏重效率和性能。轻、薄、短、小是电子变压器的发展方向,是强调降低成本。从总的要求出发,可以对电子变压器得出四项具体要求:使用条件,完成功能,提高效率,降低成本。 [4]

  可靠性和电磁兼容性。可靠性是指在具体的使用条件下,电子变压器能正常工作到使用寿命为止。一般使用条件中对电子变压器影响最大的是环境温度。决定电子变压器受温度影响强度的参数是软磁材料的居里点。软磁材料居里点高,受温度影响小;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。

  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。

  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。

  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。

  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个接线个三极管。其作用分别为:

  (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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