電子變壓器在電源中的作用
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2.2 完成功能電子變壓器從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器2種。
特殊元件完成的功能另外討論。變壓器完成的功能有3個(gè):功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個(gè):功率傳送和紋波抑制。功率傳送有2種方式。第一種是變壓器傳送方式,即外加在變壓器原繞組上的交變電壓,在磁芯中產(chǎn)生磁通變化,使副繞組感應(yīng)電壓,加在負(fù)載上,從而使電功率從原邊傳送到副邊。傳送功率的大小決定于感應(yīng)電壓,也就是決定于單位時(shí)間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導(dǎo)率無(wú)關(guān),而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關(guān)。從飽和磁通密度來(lái)看,各種軟磁材料的Bs從大到小的順序?yàn)椋鸿F鈷合金為2.3~2.4T,硅鋼為1.75~2.2T,鐵基非晶合金為 1.25~1.75T,鐵基微晶納米晶合金為1.1~1.5T,鐵硅鋁合金為1.0~1.6T,高磁導(dǎo)鐵鎳坡莫合金為0.8~1.6T,鈷基非晶合金為 0.5~1.4T,鐵鋁合金為0.7~1.3T,鐵鎳基非晶合金為0.4~0.7T,錳鋅鐵氧體為0.3~0.7T。作為電子變壓器的磁芯用材料,硅鋼和鐵基非晶合金占優(yōu)勢(shì),而錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。功率傳送的第二種是電感器傳送方式,即輸入給電感器繞組的電能,使磁芯激磁,變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),然后通過(guò)去磁變成電能釋放給負(fù)載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲(chǔ)能,也就是決定于電感器的電感量。電感量不直接與飽和磁通密度有關(guān),而與磁導(dǎo)率有關(guān),磁導(dǎo)率高,電感量大,儲(chǔ)能多,傳送功率大。各種軟磁材料的磁導(dǎo)率從大到小順序?yàn)椋篘i80坡莫合金為(1.2~3)×106,鈷基非晶合金為(1~1.5)×106,鐵基微晶納米晶合金為(5~8)×105,鐵基非晶合金為(2~5)×105,Ni50坡莫合金為(1~3)×105,硅鋼為(2~9)×104,錳鋅鐵氧體為(1~3)×104。作為電感器的磁芯用材料,Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金占優(yōu)勢(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢(shì)。傳送功率大小,還與單位時(shí)間內(nèi)的傳送次數(shù)有關(guān),即與電子變壓器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高,在同樣尺寸的磁芯和線圈參數(shù)下,傳送的功率越大。電壓變換通過(guò)變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來(lái)完成,不管功率傳送大小如何,原邊和副邊的電壓變換比等于原繞組和副繞組匝數(shù)比。絕緣隔離通過(guò)變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)完成。絕緣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度,與外加和變換的電壓大小有關(guān),電壓越高,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。紋波抑制通過(guò)電感器的自感電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要通過(guò)電感器的電流發(fā)生變化,線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會(huì)發(fā)生變化,使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢(shì),其方向與外加電壓方向相反,從而阻止電流的變化。紋波的變化頻率比基頻高,電流紋波的電流頻率比基頻大,因此,更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢(shì)抑制。電感器對(duì)紋波抑制的能力,決定于自感電勢(shì)的大小,也就是電感量大小,與磁芯的磁導(dǎo)率有關(guān),Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導(dǎo)率大,處于優(yōu)勢(shì),硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率小,處于劣勢(shì)。
2.3 提高效率提高效率是對(duì)電源和電子變壓器的普遍要求。
雖然,從單個(gè)電子變壓器來(lái)看,損耗不大。例如,100VA電源變壓器,效率為98%時(shí),損耗只有2W并不多。但是成十萬(wàn)個(gè)、成百萬(wàn)個(gè)電源變壓器,總損耗可能達(dá)到上十萬(wàn)W,甚至上百萬(wàn)W。還有,許多電源變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行,年總損耗相當(dāng)可觀,有可能達(dá)到上千萬(wàn) kW·h。顯然,提高電子變壓器的效率,可以節(jié)約電力。節(jié)約電力后,可以少建發(fā)電站。少建發(fā)電站后,可以少消耗煤和石油,可以少排放 CO2,SO2,NOx,廢氣,污水,煙塵和灰渣,減少對(duì)環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源,又具有保護(hù)環(huán)境的雙重社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。因此,提高效率是對(duì)電子變壓器的一個(gè)主要要求。電子變壓器的損耗包括磁芯損耗(鐵損)和線圈損耗(銅損)。鐵損只要電子變壓器投入工作,一直存在,是電子變壓器損耗的主要部分。因此,根據(jù)鐵損選擇磁芯材料,是電子變壓器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,鐵損也成為評(píng)價(jià)軟磁材料的一個(gè)主要參數(shù)。鐵損與電子變壓器磁芯的工作磁通密度和工作頻率有關(guān),在介紹軟磁材料的鐵損時(shí),必須說(shuō)明是在什么工作磁通密度下和什么工作頻率下的損耗。例如,P0.5/400,表示在工作磁通密度0.5T和工作頻率400Hz下的鐵損。 P0.1/100k表示在工作磁通密度0.1T和工作頻率100kHz下的鐵損。軟磁材料包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。渦流損耗又與材料的電阻率ρ成反比。ρ越大,渦流損耗越小。各種軟磁材料的ρ從大到小的順序?yàn)椋哄i鋅鐵氧體為 108~109μΩ·cm,鐵鎳基非晶合金為150~180μΩ·cm,鐵基非晶合金為130~150μΩ·cm,鈷基非晶合金為 120~140μΩ·cm,高磁導(dǎo)坡莫合金為40~80μΩ·cm,鐵硅鋁合金為40~60μΩ·cm,鐵鋁合金為30~60μΩ·cm,硅鋼為 40~50μΩ·cm,鐵鈷合金為20~40μΩ·cm。因此,錳鋅鐵氧體的ρ比金屬軟磁材料高106~107倍,在高頻中渦流小,應(yīng)用占優(yōu)勢(shì)。但是當(dāng)工作頻率超過(guò)一定值以后,錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化,ρ變得相當(dāng)小,損耗迅速上升到很高水平,這個(gè)工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。
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