研究高頻變壓器設(shè)計(jì)中需注意的相關(guān)問題

朱瑞章 李紅霞

【摘 要】隨著人們生活質(zhì)量在不斷的提高，對于用電的需求在不斷的加大，電力系統(tǒng)發(fā)揮著不可或缺的重要作用，隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電力元件的升級換代已經(jīng)成為提升電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的有效途徑。就如今的研究而言，高頻變壓器在電力系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，對于提升電力運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性與利用效率有著極大的積極作用，而設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是決定高頻變壓器質(zhì)量的關(guān)鍵，若是在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，將會大大降低高頻變壓器的質(zhì)量?；诖?，為了提升高頻變壓器的質(zhì)量和利用價(jià)值，本文將探討高頻變壓器設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題，旨在為相關(guān)技術(shù)工作者提供有益借鑒。

【關(guān)鍵詞】高頻變壓器；設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)；相關(guān)問題

引言

高頻變壓器是目前電力系統(tǒng)中非常常見的電力裝置，其結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)要求與設(shè)計(jì)方案和材料組成都直接影響著變壓器運(yùn)行的穩(wěn)定性，對其進(jìn)行深入、具體的設(shè)計(jì)研究，有利于大大提升高頻變壓器的利用價(jià)值。高頻變壓器中存在的漏感和分布電容等問題都提高了設(shè)計(jì)難度。一般情況下我們常采用AP法（磁芯面積乘積法）和Kg法（磁芯幾何參數(shù)法）對高頻變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中Kg法是根據(jù)初期計(jì)算出的磁芯具體尺寸來確定磁芯的編號，而AP法是得到磁芯的窗口面積（AW）與磁芯的有效面積（Ae）的乘積后，再查詢磁芯手冊等相關(guān)資料確定本設(shè)計(jì)中所需要的具體磁芯型號。由于AP法原本是針對傳統(tǒng)的工頻正弦波鐵心變壓器而提出的，直接用于波形復(fù)雜的高頻變壓器并不合適，計(jì)算結(jié)果也很不準(zhǔn)確。但目前AP法（即面積乘積法）仍被推薦為選擇磁心的一種有效方法，這里我們介紹AP法。設(shè)計(jì)的高頻變壓器如圖1所示，分為磁芯和繞組兩部分。變壓器的原邊繞組即是初級繞組（NP），一方面從電源的輸入端獲取電能，另一方面可起到勵(lì)磁作用。而副邊有兩個(gè)次級繞組（NS1、NS2），分別獨(dú)立構(gòu)成兩個(gè)輸出回路。輸入電能經(jīng)過高頻變壓器的初級線圈后轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿?，與此同時(shí)，磁極繞組將該磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芤怨┴?fù)載使用。

1變壓器的分布電容

通常變壓器的分布電容也是越小越好，電容的公式：C=S/4kd。按公式需要注意以下幾點(diǎn)：（1）選用介電常數(shù)較低的漆包線。（2）減小極板正對面積。（3）加大極板之間的距離。實(shí)際設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，通常選用的材料相對是比較省成本的，如果為了減小分布電容而換成不常用的材料，可能會造成不良后果。由于市場競爭激烈，很多廠家以低價(jià)格的要求來生產(chǎn)符合性能要求，以便快速占領(lǐng)市場。另外，可以從加大極板之間的距離、減小極板的正對面積等方面，來降低分布電容。變壓器的漏電感和分布電容是同時(shí)存在的，改變漏電感，那么分布電容也隨之改變。上面提到改變變壓器的材料，那么漏電感和分布電容會改變。除了改變材料外還可以改變變壓器的結(jié)構(gòu)。同一款變壓器，參數(shù)不改，將變壓器的結(jié)構(gòu)調(diào)整，變壓器的主電感不變，那么漏電感和分布電容同時(shí)發(fā)生變化。如果在材料不變，又想改變漏電感和分布電容，那么可以相應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，當(dāng)然這是在允許的條件調(diào)整，而不是改變原設(shè)計(jì)的調(diào)整，那樣就不是同一款產(chǎn)品了。

2高頻變壓器設(shè)計(jì)中需注意的相關(guān)問題

2.1高頻變壓器的銅心選擇

非晶、超微晶合金材料、軟磁鐵氧體材料是高頻變壓器最為常見的磁性材料，在具體應(yīng)用時(shí)有著很大的區(qū)別，而且不同位置元件的基本特性也有著很大的區(qū)別，設(shè)計(jì)人員需要深入分析各個(gè)部件的具體需求，才能更快地選出合適的材料，主要通過以下四種方式來選擇：其一，按照工作頻率選擇磁芯材料。盡管高頻變壓器都是高頻，但是頻率卻存在著的很大的差異，設(shè)計(jì)工作者需要按照工作頻率來確定磁芯的材料，如工作頻率在100kHz范圍內(nèi)，通常選取Mn-Zn鐵氧體材料，若是工作頻率高于1MHz，通常選取Ni-Zn材質(zhì)；其二，按照變壓器具體的種類來確定鐵氧體磁心的種類。高頻變壓器的類型與種類不同將直接影響著鐵氧體中品種的選擇，若是高頻變壓器需要具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，必須需要大大降低材料的損耗，這樣就能夠使用國內(nèi)自產(chǎn)的JP3、R2KD等等，也可以使用其他國家生產(chǎn)的PC40等；其三，按照變壓器的具體技術(shù)要求采用合適形狀的鐵心；而且鐵氧體磁心的形狀不同，所制作高頻變壓器的電氣參數(shù)也有著顯著差別，在深入了解各種形狀磁心參數(shù)的好處與弊端的基礎(chǔ)上，更好地確定變壓器的電氣技術(shù)要求，需要將磁心生產(chǎn)為參數(shù)最合理、最適用的形狀，如高頻變壓器要有較高的品質(zhì)因數(shù)和很小的漏感，則能夠選擇罐形磁心亦或是PQ型磁心；其四，按照電力企業(yè)可以接受的耗損來合理給定變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際使用環(huán)節(jié)顯示，高頻變壓器的溫升會受到很大的制約，要想大大提升變壓器的使用效率，提升經(jīng)濟(jì)效益，需要將變壓器的銅損與磁心損耗維持在一樣的狀態(tài)，在合理溫升的基礎(chǔ)上，高頻變壓器磁心損耗就能夠給定了，在此工作頻率的基礎(chǔ)上，按照磁心的損耗線路圖便能夠獲取變壓器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.2變壓器的漏電感

通常變壓器的漏電感是越小越好，在實(shí)際設(shè)計(jì)中有以下方法可供參考：（1）采用絞合銅線，使銅占因子上升。（2）采用寬薄的銅箔，銅占因子最高。（3）繞組設(shè)計(jì)成細(xì)長型，以減少漏感。（4）次級繞組繞在初級繞組中間，或把次級繞組繞在初級繞組外部，使兩繞組緊密耦合。實(shí)際設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，由于PCB板或整機(jī)的空間受到限制，其中包括體積、工作頻率等，因此變壓器就要按PCB板或整機(jī)的空間來設(shè)計(jì)。按體積、功率、頻率、占空比等參數(shù)，確定變壓器的型號及大小。按變壓器的輸入、輸出等條件，可以得出變壓器初步方案，再經(jīng)實(shí)際制作樣品，來驗(yàn)證初步方案是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這時(shí)測試是指變壓器的靜態(tài)測試，在靜態(tài)測試達(dá)到要求后，再將變壓器插裝到PCB或整機(jī)進(jìn)行測試，這時(shí)的測試包括空載測試、額定負(fù)載測試、老化等等。

2.3注意線圈在高頻下的損耗

在高頻變壓器實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，其線圈交流電阻要比直流電阻增大很多，交流電阻會有相應(yīng)的增大，直接影響著高頻變壓器的損耗和升溫，相關(guān)設(shè)計(jì)工作者需要采取有效措施最大限度地降低趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)帶來的不良作用，在高頻的基礎(chǔ)上算出交流電阻的具體數(shù)值。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，若想降低趨膚效應(yīng)帶來的影響，可以采取直徑大大小于趨膚深度的導(dǎo)線，在電流比較大時(shí)應(yīng)用雙線、多根絞線的模式；為了降低鄰近效應(yīng)的消極作用，能夠利用減小導(dǎo)線直徑的辦法，最大限度地減小繞組的層數(shù)，此外，技術(shù)人員還可以通過初、次級交叉繞制的方式降低鄰近效應(yīng)的影響。

結(jié)語

總而言之，高頻變壓器在電力系統(tǒng)中的有效運(yùn)用，為我國電力事業(yè)的發(fā)展提供了顯著力量，相關(guān)設(shè)計(jì)工作者要著重思考高頻變壓器所在電路適應(yīng)性、相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和銅心選擇等方面的關(guān)鍵問題，全面提升高頻變壓器設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，為電力事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]郗亮.高頻變壓器發(fā)展的研究[J].通信電源技術(shù)，2018，35（03）：237-238.

[2]譚智勇，郗亮，胡細(xì)保.研究高頻變壓器設(shè)計(jì)中需注意的相關(guān)問題[J].電工文摘，2017（05）：23-25.

[3]尹毅然.高頻變壓器損耗計(jì)算、散熱的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].華北電力大學(xué)（北京），2017.

（作者單位：國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司）