河南特种变压器技术参数

变压器的设计理念及应用
在同步电机励磁控制系统中，一般要求励磁电源的输出电压和电流很大，电源的功率要求也比较高。目前，大功率的励磁电源多采用晶闸管相控整流方式，其缺点是体积大、效率低、输出纹波大、功率因数低、动态响应慢、稳定性差等。随着高频逆变技术的发展及IGBT等新型功率器件的应用，开发出适用于同步电机励磁的大功率高频开关电源已成为可能。这种新型励磁电源主要由整流装置、IGBT逆变桥、高频变压器及控制电路组成。
　　作为励磁电源中重要一环的高频变压器，其主要功能是双向脉冲的电压变换、功率传递和实现隔离。他的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且直接影响到装置的技术性能和可靠性，甚至会导致开关器件的损坏。因此，对他进行全面有效的设计是极其重要的。
　　1磁芯选择高频变压器的设计首先是要减少线圈匝数和缩小变压器的外形尺寸，而制约因素是发热，发热主要由铜损和铁损两部分产生。与工频变压器相比，高频变压器开关频率提高到20kHz以上，铁磁材料中的损耗随着频率的提高大大增加。为此，需要寻求适应开关频率下工作的磁芯材料。对励磁电源中使用的磁芯提出以下要求：饱和磁通密度要高；尽可能高的导磁率；磁芯功耗低，功耗的温度系数要小，要有负值特性，以免引起热失控；要求线包加工及装配容易。
　　显然，满足上述要求的磁芯材料目前基本分为2种，一种是超微晶磁芯，另一种是非晶态磁芯，他们均具有高磁感、高导磁率、低损耗及优异的温度稳定性，适用于频率达几十kHz的高频变压器。其中非晶态磁芯在技术指标上、经济上都能兼顾，是励磁电源高频变压器磁芯的较好选择。
　　磁芯尺寸决定了磁芯的功率处理能力，所以一般以输出功率来确定磁芯型号和尺寸。某些系列的磁芯型号，厂家已提供了尺寸与输出功率这方面的材料。当厂方没有直接给出功率和磁芯型号之间的对应关系时，可通过式（1），即磁芯的几何截面积S，磁芯窗口面积Q及变压器的标称功率PT之间的函数关系来选型：SQ=PT1062fBmKmKc（1）式中，Bm为最大工作磁感应强度（高斯），为防止磁芯饱和，常取Bm=1323Bs；？为变压器的效率，一般为08左右；Kc为铁的占空系数，约为07，他主要与磁芯叠片或带料厚度有关；Km为窗口铜填充系数，与导线线径及绕制水平有关，一般要求在0205左右；为磁心电流密度，取300500A/cm2。这样算出SQ，再通过产品目录选取合适的磁芯型号，最后进行变压器的实际输出能力校验。变压器的实际输出能力即磁芯的输出能力，他取决于所选用磁芯型号的磁芯面积的乘积AP，其值等于磁芯有效截面积Ac和他的窗口截面积Am的乘积，即：AP=AcAm。
　　磁芯结构定为切口的C形磁芯，这种结构的磁芯与环形磁芯相比具有线圈绕制方便，易于装配、分布参数影响小、磁芯窗口利用率高、散热性好、系统绝缘可靠的优点，但电磁兼容性较差。
　　2绕组计算与布局绕组计算主要有3点：以输入、输出电压计算绕组匝数；按流过绕组电流的有效值计算导线线径，同时考虑集肤效应；最后应验证磁芯窗口能否绕得下全部绕组。在计算匝数比时，可以从负载端向变压器的初级推算。当励磁电源闭环工作时，在强励满载最大直流输出电压Uomax和最小直流输入电压Uimin情况下，其脉宽的工作点为最大占空比Dm，由高频变压器的输出电路，计算出副方电压为：U2=UDUomaxDmUomaxDm（2）
　　由此可求得全桥式电路中的变压器初、次级绕组的匝数比：N1N2=U1U2=UiminDmUomax（3）初级绕组匝数N1的计算，应考感到输入直流电压最高Uimax，输出空载的情况。对于全桥逆变电路，初级绕组的匝数可以用下式求得：N1=Uimax1084fBmAc（4）其结果代入式（3），即可计算出次级绕组匝数N2。
　　计算绕组电流有效值时，要注意带中间抽头的次级绕组，在一个周期中两个次级绕组是轮流工作的，输出电流由两个绕组分摊。次级绕组电流有效值为：I2=IoDm2（5）考虑高频变压器的损耗及绕组工作时的最大占空比，初级绕组电流有效值可达：I1=I1mDm=N2N1（1005）IoDm（6）因此初级裸线面积Sm1=I1/J；次级裸线面积Sm2=I2/J，其中J为铜导线电流密度。
　　由于高频工作时集肤效应的影响，导线横截面上的电流分布不均匀，导致有效截面积减少，电阻增大而引起较大的铜损，因此必须加以考虑。集肤效应的影响可以用穿透深度（电流密度降到导线表面电流密度0368时，对应的径向深度）来表征。一般要求在选用绕组导线时，应使线径小于2倍穿透深度。当计算要求线径大于2？时，可采用小直径多股绝缘导线并绕或采用宽扁的铜带，使厚度小于2倍穿透深度即可。
　　最后，要验算窗口铜充填系数Km是否满足要求：Km=N1Sm12N2Sm2Am（7）高频变压器的性能不仅取决于磁心的选择、绕组的计算、导线的选用等电气计算，还取决于各绕组的合理布局与加工，因为这关系到高频变压器设计的另一重要问题漏感。
　　在励磁电源中，由于变压器与功率开关器件相连。当器件关断时，绕组漏感的磁能释放，将使器件关断时的电应力增加，影响工作的可靠性。因此，在绕制时，要尽可能减小漏感。
　　从绕组结构来说，增加绕组高度、减小绕组厚度，特别是减小初级和次级绕组间绝缘厚度，可减小漏感。因此，绕制时的关键是使原、副绕组尽可能紧密耦合。常采用原、副边分层交叉绕法，有中间抽头的次级绕组，为了保证上下两绕组的紧密耦合，需采用双组并绕。另外，初级和次级绕组交界面的个数将较大程度影响到漏感的大小，为了增加交界面的个数，一般将初级绕组分成里外两层，而把次级绕组夹在中间。这样可使漏感成倍地降低。然而，这使得绕组的绕制较为麻烦。
　　为改善C形磁心结构的电磁兼容性，对变压器要采取屏蔽措施，屏蔽绕组在初次级绕组之间，覆盖整个骨架宽度，他的一端接到初级绕组引出线，另一端是悬浮的，用绝缘带绝缘，埋于变压器内部。某些情况下，为减少高频变压器周围的杂散磁场对邻近电路的干扰，可用磁通短路环包在变压器外侧，使短路变压器绕组和磁心形成的外磁路杂散磁通，杂散磁场在其中感应，形成反向电流，从而抵消杂散磁场的影响。
　　3温升分析励磁电源中高频变压器是主要的发热器件，其温升是影响可靠性的一个关键因素。变压器的温升不过关的原因有3个：（1）片面追求体积小，重量轻，磁芯容量不够；（2）片面追求逆变频率高，使变压器损耗增加，发热量大；（3）没有合理的风道结构或强迫冷却措施，使线圈和磁芯未充分散热。
　　使用过程中要求变压器温升小，也就是变压器的总功耗要小。总功耗为磁芯的铁损Pco和绕组的铜损Pcu之和。铁损由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗3部分组成，本高频变压器在30kHz逆变频率工作时，磁滞损耗和涡流损耗起主要作用，且均与磁芯的工作磁通密度B和逆变频率f有关。严格区分磁滞损耗和涡流损耗非常困难。在实际设计中，大多使用铁损Pco与逆变频率f，工作磁通密度B，磁芯体积V关系的经验公式：Pco=kBnfmV（8）式中k，n，m是与磁性材料有关的系数。对于初步选取的磁芯，可得到其体积V，在不同工作频率f和工作磁通密度B下的一组曲线，任意的3个点便可确定式（8）中的系数。
　　式（8）表明，非晶铁心的铁损与工作频率、磁通密度、铁心材料和形状都有关系。首先，最大工作磁通密度不能太高。常温条件及电路有软起动措施下，Bm的选取宜小于2/3BS，有时，为统筹兼顾，可适当降低Bm幅值而增加原、副边线圈匝数。另外在空载时，励磁电流调节器输出饱和，PWM信号脉宽最大，磁通密度幅值比负载时还大。为减小空载时磁通密度幅值，在控制上引入输出限幅，使空载时脉宽适当变窄，一旦励磁，此环节不起作用。
　　其次，高频变压器工作在脉冲高压、大电流的情况下，双向矩形脉冲的频率达到几十千赫兹左右，铁芯被快速反复磁化，铁损势必较大，而且频率增加，相同的磁密Bm条件下，铁损也会增加，同时又会引起铁心温度的上升，而温升又引起饱和磁感应BS的下降。所以对变压器逆变工作频率的确定要根据铁心的铁损参数合理选择。
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