電源技術(shù)與電子變壓器

　　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：功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有2個：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，使副繞組感應電壓，加在負載上，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電壓，也就是決定于單位時間內(nèi)的磁通密度變量ΔB。ΔB與磁導率無關(guān)，而與飽和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br 有關(guān)。從飽和磁通密度來看，各種軟磁材料的Bs從大到小的順序為：鐵鈷合金為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，而錳鋅鐵氧體處于劣勢。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Υ嫫饋?，然后通過去磁變成電能釋放給負載。傳送功率的大小決定于電感器磁芯的儲能，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)，而與磁導率有關(guān)，磁導率高，電感量大，儲能多，傳送功率大。各種軟磁材料的磁導率從大到小順序為：Ni80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，硅鋼和錳鋅鐵氧體處于劣勢。傳送功率大小，還與單位時間內(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。電壓變換通過變壓器原繞組和副繞組匝數(shù)比來完成，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。絕緣隔離通過變壓器原繞組和副繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來完成。絕緣結(jié)構(gòu)的復雜程度，與外加和變換的電壓大小有關(guān)，電壓越高，絕緣結(jié)構(gòu)越復雜。紋波抑制通過電感器的自感電勢來實現(xiàn)。只要通過電感器的電流發(fā)生變化，線圈在磁芯中產(chǎn)生的磁通也會發(fā)生變化，使電感器的線圈兩端出現(xiàn)自感電勢，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)生的自感電勢抑制。電感器對紋波抑制的能力，決定于自感電勢的大小，也就是電感量大小，與磁芯的磁導率有關(guān)，Ni80坡莫合金、鈷基非晶合金、鐵基微晶納米晶合金磁導率大，處于優(yōu)勢，硅鋼和錳鋅鐵氧體磁導率小，處于劣勢。

　　2.3 提高效率提高效率是對電源和電子變壓器的普遍要求。

　　雖然，從單個電子變壓器來看，損耗不大。例如，100VA電源變壓器，效率為98％時，損耗只有2W并不多。但是成十萬個、成百萬個電源變壓器，總損耗可能達到上十萬W，甚至上百萬W。還有，許多電源變壓器一直長期運行，年總損耗相當可觀，有可能達到上千萬 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，減少對環(huán)境的污染。既具有節(jié)約能源，又具有保護環(huán)境的雙重社會經(jīng)濟效益。因此，提高效率是對電子變壓器的一個主要要求。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，是電子變壓器設計的主要內(nèi)容，鐵損也成為評價軟磁材料的一個主要參數(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，必須說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從大到小的順序為：錳鋅鐵氧體為 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，應用占優(yōu)勢。但是當工作頻率超過一定值以后，錳鋅鐵氧體磁性顆粒之內(nèi)的絕緣體被擊穿和熔化，ρ變得相當小，損耗迅速上升到很高水平，這個工作頻率就是錳鋅鐵氧體的極限工作頻率。