电源技术与电子变压器文献翻译.docx
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电源技术与电子变压器文献翻译
电源技术与电子变压器
1、电子变压器在电源技术中的作用
电子变压器和半导体开关器件,半导体整流器件,电容器一起,称为电源装置中的4大主要元器件。
根据在电源装置中的作用,电子变压器可以分为:
(1)起电压和功率变换作用的电源变压器,功率变压器,整流变压器,逆变变压器,开关变压器,脉冲功率变压器;
(2)起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器,声频变压器,中周变压器;
(3)起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器,驱动变压器,触发变压器;
(4)起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器,起屏蔽作用的屏蔽变压器;
(5)起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器,起改变输出相位作用的相位变换变压器(移相器);
从以上的列举可以看出,不论是直流电源,交流电源,还是特种电源,都离不开电子变压器。
有人把电源界定为经过高频开关变换的直流电源和交流电源。
在介绍软磁电磁元件在电源技术中的作用时,往往举高频开关电源中的各种电磁元件为例证。
同时,在电子电源中使用的软磁电磁元件中,各种变压器占主要地位,因此用变压器作为电子电源中软磁元件的代表,称它们为“电子变压器”。
2、电源技术对电子变压器的要求
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。
现在,轻、薄、短、小成为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。
(1)使用条件
电子变压器的使用条件,包括两方面内容:
可靠性和电磁兼容性。
以前只注意可靠性,现在由于环境保护意识增强,必须注意电磁兼容性。
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。
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。
(2)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、电压变换和绝缘隔离。
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。
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。
(3)提高效率
提高效率是对电源和电子变压器的普遍要求。
虽然,从单个电子变压器来看,损耗不大。
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。
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。
(4)降低成本
降低成本是对电子变压器的一个主要要求,有时甚至是决定性的要求。
电子变压器作为一种商品和其他商品一样,都面临着市场竞争。
竞争的内容包括性能和成本两个方面,缺一不可。
不注意成本,往往会在竞争中被淘汰。
电子变压器的成本包括材料成本、制造成本和管理成本。
降低成本要从这三个方面来考虑。
所以,一个好的电子变压器设计者,除了要了解电子变压器的理论和设计方法而外,还要了解各种软磁材料,电磁线,绝缘材料的性能和价格;还要了解磁芯加工和热处理工艺,线圈绕制和绝缘处理工艺和结构组装工艺;还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备;还要了解生产管理的基本知识以及电子变压器的市场动态等等。
只有知识全面的设计者,才能设计出性能好,价格低的电子变压器。
3、新软磁材料在电子变压器中的应用
下面分别介绍硅钢,软磁铁氧体在电子变压器中应用的一些新进展。
这里不介绍薄膜软磁材料,它是用于1MHz以上的,高频小型电子变压器的新一代软磁材料,留待以后专文介绍。
(1)硅钢
电源技术中的工频电子变压器大量使用3%取向硅钢,现在厚度普遍从0.35mm减到0.27mm或0.23mm。
国内生产的23Q110的0.23mm厚,3%取向硅钢,饱和磁通密度Bs为1.8T,其P1.7/50为1.10W/kg;27QG095的0.27mm厚,3%HiB取向硅钢,Bs为1.89T,P1.7/50为0.95W/kg。
日本生产的0.23mm厚,3%取向硅钢Bs为1.85T,P1.7/50为0.85W/kg。
与国内产品相差不多。
但是0.23mm厚的3%取向硅钢经过特殊处理,即用电解法将表面抛光至镜面,再涂张力涂层,最后细化磁畴,可以使P1.7/50下降到0.45W/kg。
同时,对要求损耗低的电子变压器,日本还进一步把厚度减薄到0.15mm,经过特殊处理,可以使P1.3/50下降到0.082~0.11W/kg和铁基非晶合金水平基本相当。
(2)软磁铁氧体
软磁铁氧体的特点是:
饱和磁通密度低,磁导率低,居里温度低,中高频损耗低,成本低。
前三个低是它的缺点,限制了它的使用范围,现在正在努力改进。
后两个低是它的优点,有利于进入高频市场,现在正在努力扩展。
以100kHz,0.2T和100℃下的损耗为例,TDK公司的PC40为410mW/cm3,PC44为300mW/cm3,PC47为250mW/cm3。
TOKIN公司的BH1为250mW/cm3,损耗不断在下降。
国内金宁生产的JP4E也达到300mW/cm3。
不断地提高工作频率,是另一个努力方向。
TDK公司的PC50工作频率为500kHz至1MHz。
FDK公司的7H20,TOKIN的B40也能在1MHz下工作。
Philips公司的3F4,3F45,3F5工作频率都超过1MHz。
国内金宁的JP5,天通的TP5A工作频率都达到500kHz至1.5MHz。
东磁的DMR1.2K的工作频率甚至超越3MHz,达到5.64MHz。
磁导率是软磁铁氧体的弱项。
现在国内生产的产品一般为10000左右。
国外TDK公司的H5C5,Philips公司的3E9,分别达到30000和20000。
采用SHS法合成MnZn铁氧体材料的研究,值得注意。
用这种方法的试验结果表明,可以大大降低铁氧体的制造能耗和成本。
国内已有试验成功的报导。
4、新磁芯结构在电子变压器中的应用
(1)搭接式卷绕磁芯
搭接式卷绕磁芯最早用于非晶合金配电变压器。
它既有卷绕磁芯优点,激磁电流小,空载损耗低,又可以打开装卸线圈,消除一般卷绕磁芯的缺点,不需要用专用绕线机绕制线圈,生产效率提高,线圈出现问题时也便于更换和维修。
现有3%取向硅钢的厚度已减薄到0.23mm和0.27mm,用它们制造搭接式卷绕磁芯比非晶合金更容易。
因此,搭接式卷绕磁芯有可能用于500VA以上的硅钢电源变压器,尤其是大容量整流电源和不停电电源中的硅钢电源变压器。
(2)立体三角形磁芯
立体布置的三角形三相磁芯,现在正在国内风行。
最早出现立体三角形磁芯可追溯到20世纪30年代,但是,由于磁芯需要特殊剪切加工,线圈需要专用绕线机绕制,而未能推广应用。
现在可以用计算机控制磁芯剪切加工,已经有专用绕线机绕线。
国内有5—6家企业在申请立体三角形磁芯变压器的专利。
立体布置的三角形三相磁芯与平面布置的三柱式三相磁芯相比,磁通分布均匀,不会出现局部饱和,激磁电流和磁通的对称性好。
问题是各个柱的截面要形成接近圆形相当困难,绕组平均匝长增加,负载损耗也会增加。
可用于30kVA以上的大型变压器。
来源于《国际电子变压器》
附:
英文原文:
Thetechnologyofthepowerandelectronicvoltagetransformer
XuZewei
1.Roleintechnologyofthepowerofanelectronicvoltagetransformer
Theelectronicvoltagetransformeriswiththeswitchdeviceofthesemiconductor,therectificationdeviceofthesemiconductor,thecondenser,calledpower4bigmaincomponentsandpartsindevices.Accordingtotheroleinpowerdevice,theelectronicvoltagetransformercanbedividedinto:
(1)Thepowertransformerplayingavaryinginvoltageandpowerrole,powervoltagetransformer,rectificationvoltagetransformer,goagainstthevoltagetransformer,switchvoltagetransformer,voltagetransformerofpowerofpulse;
(2)Ittransmitcasebroadband,acousticfrequency,inpowerandbroadbandvoltagetransformer,signaloffunctionofweek,audio-frequencytransformer,thevoltagetransformerinweekofChina;
(3)Playandtransmitthepulse,urgeandtouchoffthepulsevoltagetransformerofsignalfunction,drivethevoltagetransformer,touchoffthevoltagetransformer;
(4)Playoriginalandpairinsulatingsegregationvoltagetransformerwhichisolatefunction,theshieldingvoltagetransformerplayingashieldingrole;
(5)Playsingle-phasetoturnintothreephasesorthreephasesbecometoisitvaryvoltagetransformertocountsingle-phasefunction,thephaseplaceplayingachangingtheoutputphaseplacerolevariesthevoltagetransformer(movethelooksdevice);
Canfindoutfromtheenumeratingoftheabove,nomatterthedirectcurrentsource,exchangethepower,specialpower,leavetheelectronicvoltagetransformer.Someonedeterminesthepowercircleasthedirectcurrentsourcevariedthroughthehigh-frequencyswitchandexchangepower.Intheroleintechnologyofthepowerofelectromagneticcomponentofsoftmagnetismoftheintroduction,oftenliftvariouskindsofelectromagneticcomponentsinthehigh-frequencyswitchpowerinordertoillustrate.Meanwhile,oftheelectromagneticcomponentsofsoftmagnetismthatisusedamongtheelectronicpower,variouskindsofvoltagetransformersoccupythemainstatus,sousevoltagetransformerasrepresentativesofmagnetismcomponentsofCS&Sofelectronicpower,callthem"theelectronicvoltagetransformer".
2.Technologicalrequisitionforelectronvoltagetransformerofthepower
Thetechnologicalrequisitionforelectronvoltagetransformerofthepower,likeallproductswhichareregardedasthegoods,pursuetheperformance-costratiobestinfinishingtheconcretefunctionundertheconcreteservicecondition.Maylayparticularstressonthepriceandcostsometimes,maylayparticularstressontheefficiencyandperformancesometimes.Now,becomedevelopingdirectionoftheelectronicvoltagetransformerlightly,thinly,shortly,smallly,putemphasisonloweringcosts.Proceedingfromtotaldemand,candrawfourconcretedemandstotheelectronicvoltagetransformer:
Servicecondition,finishthefunction,raisetheefficiency,reductionofcost.
(1)Servicecondition
Theserviceconditionoftheelectronicvoltagetransformer,includetworespectscontent:
Dependabilityandelectromagneticcompatibility.Onlypaidattentiontodependabilityinthepast,becauseenvironmentalprotectionconsciousnesswasstrengthenednow,mustpayattentiontoelectromagneticcompatibility.
Dependabilitymeansundertheconcreteservicecondition,theelectronicvoltagetransformercanworkuptoservicelifenormally.Itwasenvironmenttemperaturethatexertedalargestinfluenceonelectronvoltagetransformerinthegeneralservicecondition.ItisdeterminedthattheparameterthattheelectronicvoltagetransformerisinfluencedbytemperaturetheintensityisthatCurieofthesoftmagnetismmaterialclicks.Curieclicksthesoftmagnetismmaterialhigh,isslilghtlyinfluencedbytemperature;Curieclicksthesoftmagnetismmateriallow,changesmoresensitivetotemperature,receivestemperatureofgreatimpact.
Electromagneticcompatibilitymeanstheelectronicvoltagetransformerneitherproducesandinterferestheexternalelectromagnetism,canbeartheexternalelectromagnetismtointerfere.Interfereincludingtheaudiofrequencynoisethatcanhearelectromagneticallyandhigh-frequencynoisenothearing.Itisthatthemagnetismofthemagnetismcoreissentflexiblythattheelectronicvoltagetransformerproducestheelectromagneticmainreasontointerfere.Magnetismcauseflexiblecoefficientheavysoftmagnetismmaterial,theelectromagnetismproducedinterferesbeingheavy.Ironbasebrilliantmagnetismofalloycauseflexiblecoefficientusuallyforbeingmostheavy(27-30),*10-6,mustisitreducenoisesuppressthemeasureinterferedtotakenon-.HighmagnetismleadNi50slopemagnetismofalloycauseflexiblecoefficient25*10-6,manganesemagnetism,zincofferritecauseflexiblecoefficienttobe21*10-6.
(2)Finishthefunction
Theelectronicvoltagetransformerdistinguishesandhas2kindsvoltagetransformerandinductancedevicemainlyfromfunction.Thefunctionthatthespecialcomponentfinishesisdiscussedinaddition.Thereare3functionsthatthevoltagetransformerfinishes:
Thepowerisconveyed,thevoltageisvariedandisolatesinsulatingly.Thereare2tofinishfunctionsininductancedevice:
Thepowerisconveyedandsuppressedwiththewaveoftheline.
Thepowerconveys2ways.Thefirstkindisvoltagetransformerconveystheway,namelyandthevoltageofreversalontheoriginalwindingofvoltagetransformer,inmagnetismproducemagnetismcoherentchangeamongthecore,makepacksofwindingreactionvoltage,additinload,electricpoweritthuscan'tmakefromconveyingbypairto.Thesizeofconveyingthepowerisdecidedbythevoltageofreaction,thatistosaythatisdecided
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