环形变压器及其应用

4．7变压器与整流电路

大多数作电源用的环形变压器都与整流电路相连，现将最常用的整流电路和变压器次级电压U2、次电流I2与直流电压Ud直流电流Id的关系列在表3中，供设计时参考。

表3整流电路与变压器参数电路名称电路图变压器次级电压U2/V变压器次级电流I2/A
双整流电路0.8(Ud＋2)1.8Id
桥式整流电路0.8(Ud＋2)1.8Id
全波中心抽头1.7(Ud＋1)1.2Id
5环形变压器的设计计算

通过设计一台50Hz石英灯用的电源变压器，其初级电压U1=220V，次级电压U2=11.8V，次级电流I2=16.7A，电压调整率ΔU≤7％，来说明计算的方法和步骤。

1）计算变压器次级功率P2

P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)

2）计算变压器输入功率P1（设变压器效率η=0.95）与输入电流I1P1===207VA(6)I1===0.94A

3）计算铁心截面积SS=K(cm2)(7)

式中：K——系数与变压器功率有关，K=0.6～0.8，取K=0.75；

PO——变压器平均功率，Po===202VA。则S=0.75=10.66cm2，取S=11cm2。

根据现有铁心规格选用铁芯尺寸为：高H=40mm，内径Dno=55mm，外径Dwo=110mm。核算所选用的铁心的截面积S=H=×40×10－2=11cm2

4）计算初级绕组每伏匝数N10与匝数N1N10=（匝/V）（8）

式中：f——电源频率（Hz），f=50Hz；

B——磁通密度（T）,B=1.4T。代入得N10==2.9匝/V，取N10=3匝/V，则

N1=N10U1=3×220=660匝。

5）计算次级绕组每伏匝数N20与匝数N2N20=（匝/V）（9）代入得N20==3.23匝/V，则

N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。

6）选择导线线径

图7环形变压器截面图

绕组导线线径d按式(10)计算d=1.13(mm)(10)

式中：I——通过导线的电流（A）；

j——电流密度，j=2.5～3A/mm2。

当取j=2.5A/mm2时代入式(10)得d=0.72(mm)则初级绕组线径d1=0.72=0.69mm，选漆包线外径为0.72mm。次级绕组线线径d2=0.72=2.94mm，选用两条d=2.12mm（考虑绝缘漆最大外径为221mm）导线并绕。因为2.94导线的截面积Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm导线的截面积为3.53mm2两条并联后可得截面积为：2×3.53=7.06mm2，完全符合要求且裕度较大。

6环形变压器的结构计算

环形变压器的绕组是用绕线机的绕线环在铁心内作旋转运动而绕制的，因此铁心内径的尺寸对加工过程十分重要，结构计算的目的就是检验绕完全部绕组后，内径尚余多少空间。若经计算内径空间过小不符合绕制要求时，可以修改铁心尺寸，只要维持截面积不变，电性能也基本不变。

已知铁心内径Dno=55mm，图7中各绝缘层厚度为to=1.5mm，t1=t2=1mm。

1）计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径Dn2

计算初级绕组每层绕的匝数n1n1=（匝）（11）

式中：Dn1——铁心包绝缘后的内径，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.5)=52mm；

kp——叠绕系数，kp=1.15。代入得n1==197匝

则初级绕组的层数Q1为Q1===3.35取整数Q1=4层

初级绕组厚度δ1为

δ1=Q1d1kp=4×0.72×1.15=3.3mm

则初级绕组包绝缘后的内径Dn2为

Dn2=Dn1－2(δ1＋t1)=52－2(3.3＋1)=43.4mm

2）计算次级绕组的厚度δ2

计算次级绕组每层绕的匝数n2，考虑到次级绕组是用2×d2=2×2.21mm导线并绕，则n2===27匝

则次级绕组的层数Q2为Q2===1.41，取整数Q2=2层。

次级绕组厚度δ2为

δ2=Q2d2kp=2×2.21×1.15=5.08mm

3）计算绕完初次级绕组及包绝缘后的内径Dn4

Dn4=Dn2－2(δ2＋t2)=43.4－2(5.08＋1)=31.24mm

可见绕完绕组后，内径还有裕量，所选铁芯尺寸是合适的。

7环形变压器样品的性能测试

为检验设计方法的准确性，对按设计参数制成的环形变压器样品进行了性能测试，结果如下。

7．1空载特性测试

测量电路如图8所示。测得的数据列于表4，按照表4的数据，绘出图9所示的空载特性曲线。

从变压器的空载特性看出设计符合要求，在额定工作电压220V时（工作点为A），变压器的空载电流只有13.8mA，即使电源电压上升到240V变压器工作在B点铁心还未饱和，有较大的裕度。

7．2电压调整率测量

变压器在空载时测得的次级空载电压U20=12.6V，当通以额定电流I2=16.7A时，次级输出电压为U2=11.8V，按式（2）计算电压调整率为

()

表4环形变压器空载特性测量数据表交流输入电压U1/V空载电流I0/mA
202.1
403.3
604.0
804.9
1005.6
1206.4
1407.3
1608.3
1809.6
20011.2
22013.8
24018
25022.7

环形变压器及其应用

图9环形变压器空载特性曲线

图8空载特性测量电路

ΔU=×100％==6.4％
变压器电压调整率达到ΔU7％的指标。

7．3温升试验

用电阻法对变压器绕组进行温升试验，在通电4h变压器温升稳定后进行测试，并按式（12）计算绕组平均温升Δτm。Δτm=(k＋t1)－(t2－t1)（12）

测量的数据及计算结果列于表5

表5200VA环形变压器温升试验数据绕组类别测冷阻（r1）时的环境温度t1/℃测热阻（r2）时的环境温度t2/℃t1时绕组电阻r1/Ωt2时绕组电阻r2/Ω常数k绕组平均温升Δτ/℃
初级34.835.55.2755.958234.534.2
次级34.835.50.018520.0208234.532.5
从温升试验结果看出所设计的变压器已达到标准型温升标准，即Δτm40℃，初次级绕组温升基本相等，即两绕组功耗较均衡。

7．4绝缘性能试验

1）绝缘电阻

用500V摇表测试绝缘电阻，初次级绕组之间的绝缘电阻在常态下均大于100MΩ。

2）抗电强度

变压器初级与次级绕组之间能承受50Hz，4000V（有效值）电压1min，而无击穿和飞弧。限定漏电流为1mA，此项试验证明变压器的抗电强度达到IEC标准。

8结语

环形变压器以其优良的性能和有竞争力的性能价格比，可以预期它会在较大领域内取代传统的叠片式变压器，随着环形变压器技术性能进一步提高，它将会在电子变压器领域中有更广阔的应用前景。