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電源

電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)

電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù)

1 前言

電源中一般都含有軟磁鐵心組成的電磁器件。按照比較廣義的說法,在電子設(shè)備和電子電路中的電磁器件,都叫做電子變壓器。電源中變壓器或電磁器件,絕大多數(shù)屬于電子變壓器。但是,有的電源中,變壓器還具有耐高壓的絕緣要求。例如:大容量直流電源和大容量不間斷電源,整流變壓器不從一般的380V或220V輸入,而從10KV或6.3KV輸入,與一般電子變壓器有很大差別,而與電力變壓器更相似一些。所以,本文討論的電源中的變壓器,既包括電子變壓器,又涉及電力變壓器。

本文討論電源中變壓器的要求和技術(shù)參數(shù),以及它們與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系,是為了更深入理解另外兩篇文章“變壓器鐵心材料的近期動(dòng)向”和“變壓器導(dǎo)電材料的近期動(dòng)向”中所介紹的內(nèi)容,從而使三篇文章形成有機(jī)的整體。編寫這三篇文章的目的是希望通過了解鐵心材料和導(dǎo)電材料的近期動(dòng)向,更好的把握電源中變壓器的發(fā)展趨勢(shì),供電源行業(yè)、電子變壓器行業(yè)、電力變壓器行業(yè)的朋友們參考。如有錯(cuò)誤之處,敬請(qǐng)指正。

2 一般要求

電源中的變壓器,作為一種商品的產(chǎn)品,總的要求是在具體使用條件下完成具體的功能中,追求性能價(jià)格比最高。從總要求出發(fā),提出四點(diǎn)一般要求:使用條件、完成功能、提高效率、降低成本。既包括技術(shù)性能,又包括經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.1使用條件

電源中的變壓器的使用條件,包括使用可靠性和使用電磁兼容性。

使用可靠性是指在具體的使用條件下,變壓器能正常工作到使用壽命為止。使用條件中對(duì)變壓器影響最大的是環(huán)境溫度。決定鐵心材料受溫度影響強(qiáng)度的是居里點(diǎn)。鐵心材料居里點(diǎn)高,受溫度影響小,鐵心材料居里點(diǎn)低,受溫度影響大。MnZn軟磁鐵氧體居里點(diǎn)一般只有215℃,比較低,磁通密度、磁導(dǎo)率和損耗都隨溫度發(fā)生變化。除正常溫度25℃而外,還要給出60℃、80℃、100℃時(shí)的各種參數(shù)數(shù)據(jù),MnZn鐵氧體制成的鐵心,一般工作溫度限制在100℃以下,也就是在環(huán)境溫度40℃時(shí),溫升只允許低于60℃。鈷基非晶合金的居里點(diǎn)為205℃,也低,使用溫度也限制在100℃以下。鐵基非晶合金的居里點(diǎn)為370℃,可以在150℃—180℃以下使用。鐵基納米晶合金的居里點(diǎn)為600℃,硅鋼的居里點(diǎn)為730℃,可以在300℃以下使用。

決定導(dǎo)電材料工作溫度的不是銅導(dǎo)線,而是外包絕緣材料的耐熱等級(jí)。例如QZ聚酯漆包線,耐熱等級(jí)為B級(jí),最高溫度為130℃。QY聚酰亞胺漆包線,耐熱等級(jí)為C級(jí),最高工作溫度為220℃。

使用電磁兼容性是指變壓器既不產(chǎn)生對(duì)外界的電磁*,又能承受外界的電磁*。電磁*包括可聽見的音頻嗓聲和聽不見的高頻噪聲。變壓器產(chǎn)生電磁*的主要原因是鐵心的磁致伸縮,磁致伸縮系數(shù)大的鐵心材料,產(chǎn)生的電磁*大。鐵基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為(27—30)×10-6,最大,用它制作鐵心時(shí)必須采取減少噪聲抑制*的措施,MnZn軟磁鐵氧體的磁致伸縮系數(shù)為21×10-6左右,也容易產(chǎn)生電磁*。3%取向冷軋硅鋼磁致伸縮系數(shù) 為(1-3)×10-6.,鐵基納米晶合金磁致伸縮系數(shù)為(0.5-2) ×10-6,比較容易產(chǎn)生電磁*。6.5%無(wú)取向硅鋼和鈷基非晶合金的磁致伸縮系數(shù)為0.1×10-6左右,不容易產(chǎn)生電磁*。由鐵心材料產(chǎn)生的電磁*的頻率一般與變壓器的工作頻率相同,如果有低于或高于工作頻率的電磁*,那是由其他原因產(chǎn)生的。導(dǎo)電材料不產(chǎn)生電磁*。由導(dǎo)電材料繞制的線圈有可能產(chǎn)生電磁*,不是由導(dǎo)電材料造成的,而是由導(dǎo)電材料之間的作用和線圈結(jié)構(gòu)造成的。

2.2完成功能

電源中的電磁器件從功能上區(qū)分主要有變壓器和電感器兩種。變壓器完成的功能有三個(gè):功率傳送、電壓變換和絕緣隔離。電感器完成功能有兩個(gè):功率傳送和紋波抑制,這里不單討論電源中變壓器的完成功能,也討論電源中電感器的完成功能。

變壓器的功率傳送是這樣完成的:外加在變壓器初級(jí)繞組上的交變電壓,在鐵心中產(chǎn)生磁通變化,使次級(jí)繞組感應(yīng)電壓,輸出給負(fù)載,從而使電功率從變壓器初級(jí)傳送給次級(jí)。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)磁通密度變化量△B?!鰾與磁導(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)。硅鋼飽和磁通密度為1.5—2.03T,鐵基非晶合金飽和磁通密度為1.58T 左右,鐵基納米晶合金飽和磁通密度為1.2—1.45T,鈷基非晶合金飽和磁通密度為0.5—0.8T。MnZn軟磁鐵氧體飽和磁通密度為0.3—0.5T。作為變壓器用鐵心材料,硅鋼占優(yōu)勢(shì),鐵基非晶合金其次,MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢(shì)。

電感器的功率傳送是這樣完成的:輸入給電感器繞組的電能,使鐵心激磁,變?yōu)榇拍軆?chǔ)存起來(lái),然后通過去磁變成電能,釋放給負(fù)載。傳送功率的大小,決定于鐵心的儲(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,傳送能量多,傳送功率大。鈷基非晶合金磁導(dǎo)率為(1—1.5)×106,鐵基納米晶合金導(dǎo)磁率為(5—8)×105,鐵基非晶合金磁導(dǎo)率為(2—4)×105,硅鋼磁導(dǎo)率(2—9)×104,MnZn軟磁鐵氧體磁導(dǎo)率為(1—3)×104。作為電感器用鐵心材料,鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金占優(yōu)勢(shì),硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體處于劣勢(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),即與變壓器和電感器的工作頻率有關(guān)。工作頻率越高,在同樣尺寸的鐵心和同樣匝數(shù)的線圈條件下,傳送功率越大。

電壓變換通過變壓器初級(jí)和次級(jí)線組的匝數(shù)比來(lái)完成。不管變壓器功率傳送大小如何,初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)比就等于輸入和輸出的電壓變換比。

絕緣隔離,通過變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組的絕緣結(jié)構(gòu)來(lái)完成。外加電壓和變換電壓越高,絕緣結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。一般電子變壓器外加電壓小于1kV,絕緣結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。電力變壓器外加電壓超過6kV,絕緣結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,除了承受工頻試驗(yàn)電壓而外,還要求承受短時(shí)沖擊試驗(yàn)電壓。

電感器的紋波抑制通過自感電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。只要流過電感器的電流發(fā)生變化,線圈在鐵心中產(chǎn)生的磁通也會(huì)隨著發(fā)生變化,使電感器線圈兩端出現(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。紋波的變化頻率比工作頻率(基本頻率)高,因此更能被電感器產(chǎn)生的自感電勢(shì)抑制。紋波抑制能力決定于自感電勢(shì)的大小,也就是決定于電感量大小。電感量與鐵心材料的磁導(dǎo)率有關(guān),從電感器抑制紋波能力來(lái)看,磁導(dǎo)率大的鈷基非晶合金和鐵基納米晶合金作為鐵心材料比較好,磁導(dǎo)率小的硅鋼和MnZn軟磁鐵氧體作為鐵心材料比較差。

2.3提高效率

提高效率是對(duì)電源中變壓器的一個(gè)重要要求,一個(gè)原因是由于石油、煤等能源價(jià)格上漲,節(jié)能成為當(dāng)代的一個(gè)重要任務(wù)。許多電子設(shè)備,包括電源在內(nèi),不單要求考核負(fù)載時(shí)的能耗,還要求考核待機(jī)(接近空載)時(shí)的能耗。電源中變壓器的損耗是電源待機(jī)能耗中的主要部份。另一個(gè)原因是電源中變壓器數(shù)量巨大,雖然從單個(gè)電源中變壓器來(lái)看,損耗只有幾瓦,并不多。但是成十萬(wàn)個(gè),成百萬(wàn)個(gè)電源中變壓器,總損耗可達(dá)到幾十萬(wàn)瓦,幾百萬(wàn)瓦,相當(dāng)可觀。還有,許多電源中變壓器一直長(zhǎng)期運(yùn)行,年總損耗決不是一個(gè)小數(shù)目。因此,電源中變壓器必須提高效率,降低損耗成為一個(gè)重要要求。

電源中變壓器損耗包括鐵心損耗和線圈損耗。鐵心損耗只要電源中變壓器投入運(yùn)行,一直存在,是變壓器空載損耗的主要部分。在設(shè)計(jì)和制作變壓器鐵心時(shí),要選擇損耗比較低的鐵心材料。鐵心材料損耗與變壓器鐵心的工作磁通密度和工作頻率有關(guān),因此,鐵心材料的損耗必須注明。例如:P1.4/50是工作磁通密度1.4T和工作頻率50HZ下的損耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作頻率400HZ下的損耗。P0.25/100K是工作磁通密度0.25T(250mT)和工作頻率100kHZ下的損耗。

鐵心材料損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗,渦流損耗與鐵心材料電阻率有關(guān)。電阻率越大,渦流損耗越小。MnZn軟磁鐵氧體電阻率為108—109μΩcm,在高頻中渦流損耗小,在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用占優(yōu)勢(shì),鐵基非晶合金電阻率為130——150μΩcm,硅鋼電阻率為20—40μΩcm,比MnZn軟磁鐵氧體小106—107倍,在高頻中渦流大。如果要在電源中的高頻變壓器中應(yīng)用,必須采取措施,例如減少金屬鐵心材料的厚度,現(xiàn)在各種工作頻率的變壓器使用的金屬鐵心材料的帶材厚度一般是:工頻50HZ—60HZ用0.50—0.23mm(500—230μm),中頻400HZ至1kHZ用0.20—0.08mm(200—80μm),1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm(100-25μm),中高頻20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm(50-15μm),高頻100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm(20-5μm),1MHZ以上用小于5μm。鐵基非晶合金由于噴帶設(shè)備原因,帶厚一般為40—25μm,在工頻50HZ至中頻400HZ—20kHZ時(shí)都可使用。用于中高頻和高頻的鐵基納米晶合金,帶厚一般都小于18μm。以前人有認(rèn)為:鐵心的填充系數(shù)與金屬鐵心材料的帶厚有關(guān),并且提出一個(gè)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式,把鐵心材料的帶厚作為決定鐵心填充系數(shù)的唯一因數(shù)。現(xiàn)在看來(lái),這個(gè)計(jì)算鐵心填充系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式并不完全成立。因?yàn)?,鐵心填充系數(shù)并不只由鐵心材料帶厚一個(gè)因數(shù)決定,還受涂層厚度、帶材平整度和帶材均勻度等其他因數(shù)影響。按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,鐵基非晶合金帶厚25μm時(shí),填充系數(shù)達(dá)不到0.80,而現(xiàn)在用25μm厚鐵基非晶合金帶材加工成的變壓器鐵心,填充系數(shù)一般都大于0.86,甚至還達(dá)到0.90。

電源中變壓器線圈損耗是負(fù)載損耗的主要部份。線圈損耗決定于導(dǎo)電材料的電阻率?,F(xiàn)在電源中變壓器的導(dǎo)電材料絕大多數(shù)采用銅。而不用鋁,原因就是銅的電阻率小,造成的線圈損耗小,在有些體積小的高頻平面變壓器和薄膜變壓器中,導(dǎo)電材料還采用電阻率更小的金和銀。這是因?yàn)樽儔浩鞯捏w積小,散熱面積小,要求線圈損耗更小,才能保證平面變壓器和薄膜變壓器的線圈溫升不會(huì)超過規(guī)定的允許值。

2.4降低成本

降低成本是電源變壓器作為商品的一個(gè)重要要求,有時(shí)甚至是決定性的要求。因?yàn)樵谏唐犯?jìng)爭(zhēng)中性能價(jià)格比是產(chǎn)品的主要指標(biāo)。不注意降低成本,不注意降低價(jià)格,往往會(huì)在商品競(jìng)爭(zhēng)中被淘汰。

電源中變壓器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在總成本中一般占有40%至60%,是最重要的部份。材料成本中鐵心材料和導(dǎo)電材料成本又占80%左右。因此鐵心材料和導(dǎo)電材料的市場(chǎng)動(dòng)向,價(jià)格變化情況對(duì)電源中變壓器成本具有重大影響。降低材料成本,還與設(shè)計(jì)有關(guān)。在設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí),應(yīng)當(dāng)根據(jù)鐵心材料和導(dǎo)電材料的價(jià)格,調(diào)整變壓器的用鐵心材料量與用導(dǎo)電材料量的比值(銅鐵比),使材料成本在現(xiàn)有條件下達(dá)到最低?,F(xiàn)在采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí),追求成本最低,應(yīng)當(dāng)成為一個(gè)主要限制條件。

制造成本也與設(shè)計(jì)和工藝有關(guān)。設(shè)計(jì)電源中變壓器時(shí),不單要考慮鐵心材料和導(dǎo)電材料的價(jià)格和用量,還要考慮鐵心和線圈的結(jié)構(gòu)以及變壓器總體結(jié)構(gòu)是否便于加工和裝配?需用多少人工工時(shí)?需要多少設(shè)備和工模具?需要什么檢測(cè)設(shè)備和儀器來(lái)控制質(zhì)量?這些都是變壓器設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)考慮的。

管理成本決定于人力和財(cái)力的利用是否充分。充分利用人力,是指提高工時(shí)利用率,減少管理人員和工人的比例等。充分利用財(cái)力,是指縮短生產(chǎn)周期,減少庫(kù)存,加快資金流轉(zhuǎn)等。這些主要由經(jīng)營(yíng)管理人員負(fù)責(zé)。但是與變壓器設(shè)計(jì)者也有關(guān)系。如果設(shè)計(jì)的變壓器便于加工和裝配,可以縮短生產(chǎn)周期。所用的原材料和配件便于采購(gòu),可以減少庫(kù)存。這些都有利于降低管理成本。

所以,一個(gè)好的電源中變壓器設(shè)計(jì)者,除了了解變壓器理論和設(shè)計(jì)方法而外,還要了解鐵心材料、導(dǎo)電材料、絕緣材料、結(jié)構(gòu)材料的價(jià)格和市場(chǎng)動(dòng)向,還要了解鐵心、線圈和變壓器總體加工和裝配工藝,還要了解實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的檢測(cè)參數(shù)和儀器設(shè)備,還要了解生產(chǎn)管理知識(shí)和變壓器市場(chǎng)動(dòng)向等等。只有知識(shí)全面的變壓器設(shè)計(jì)者,才能設(shè)計(jì)出性能好,價(jià)格合式的變壓器產(chǎn)品。

3 變壓器技術(shù)參數(shù)

下面分析變壓器主要技術(shù)參數(shù)與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間的關(guān)系。

3.1變壓器容量

變壓器輸入容量W1=U1I1,變壓器輸出容量W2=U2I2,W2=ηW1,η是變壓器效率。

U1是輸入電壓,也是初級(jí)繞組上加的電壓U1=2KufN1△BAcKc,Ku是電壓波形系數(shù),f是工作頻率,N1是初級(jí)繞組匝數(shù),△B是鐵心中磁通密度變化量,Ac是鐵心截面積,鐵心截面積乘以鐵心的填充系數(shù)Kc,是鐵心實(shí)際截面積。

U2是輸出電壓,也是次級(jí)繞組上的電壓,U2=U1N1/N2,由初級(jí)繞組與次級(jí)繞組的匝數(shù)比來(lái)決定。

I1是輸入電流,也是初級(jí)繞組中的電流,I1=Jq1,J是電流密度,q1是初級(jí)繞組導(dǎo)線截面積。

W1=U1I1=2KufN1△BAkc×Jq1=2Kuf△BJAckcN1q1

N1q1是初級(jí)繞組所占窗口面積。設(shè)次級(jí)繞組所占窗口面積和效率η相當(dāng),則總窗口面積,A0=(1+η)N1q1/k0,k0是窗口的填充系數(shù)。N1q1=A0kO/(1+η)。

W1=2Kuf△BJAckc A0kO/(1+η)。

l 鐵心材料重量Gc=kcAclcδc,lc是平均磁路長(zhǎng)度。kcAc=Gc/lcδc。

導(dǎo)電材料重量GN=k0AolNδN,lN是線圈平均匝長(zhǎng)。K0AO=GN/lNδN。

(1+η)W1=2KufKc△B K0J 。 (1+η)W1是變壓器總?cè)萘?W1+W2

從這個(gè)公式可以看出,變壓器總?cè)萘颗c鐵心材料的關(guān)系連涉到三個(gè)參數(shù):鐵心中磁通變化量△B,鐵心材料重量Gc,平均磁路長(zhǎng)度lc,變壓器總?cè)萘颗c導(dǎo)電材料的關(guān)系也牽涉到三個(gè)參數(shù):電流密度J,導(dǎo)電材料重量GN,線圈平均匝長(zhǎng)lN。另外,鐵心材料密度δc和導(dǎo)電材料密度δN也有影響。

其中△B是鐵心中磁通變化量,一般對(duì)單方向激磁變壓器,△B=Bm-Br,對(duì)雙方向激磁變壓器,△B=2Bm。選取Bm時(shí),不單要考慮鐵心材料的飽和磁通密度,還要考慮鐵心材料在工作頻率f下的損耗。

J是導(dǎo)線的電流密度,決定于導(dǎo)電材料外包絕緣耐熱等級(jí),也就是允許溫升,在選取了J時(shí),還要考慮變壓器的散熱條件。

3.2效率和損耗

變壓器效率η=P2/P1,P2是輸出功率,P1是輸入功率。

P1=P2+Pk,η=P2/P2+PK=1- =1- PK是負(fù)載損耗,PK=PO+PN,PO是空載損耗,也就是鐵心損耗。PN是線圈損耗。

鐵心損耗P0=PC(T/HZ)GC,PC(T/H2)是在一定磁通密度T和一定工作頻率HZ下的單位重量鐵心損耗??梢宰约哼M(jìn)行測(cè)試,或者由鐵心材料生產(chǎn)單位提供測(cè)試數(shù)據(jù)。除了MnZn軟磁鐵氧體的PC受溫度影響比較大而外,其他金屬鐵心材料的單位重量損耗PC與溫度無(wú)關(guān)。總的鐵心損耗與鐵心單位重量損耗PC和鐵心重量GC成正比。

線圈損耗PN=I12r1+I22r2,r1是初級(jí)繞組電阻,r2是次級(jí)繞組電阻,都會(huì)受溫度影響,必須說明是在什么溫度下的線圈損耗和負(fù)載損耗。例如對(duì)A級(jí)絕緣的線圈,要給出75℃溫度下的線圈損耗和負(fù)載損耗。

繞組電阻r1=ρlN1N1/q1,r2=ρlN2N2/q2,ρ是導(dǎo)電材料電阻率,lN1,lN2是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組平均匝長(zhǎng),q1 q2是初級(jí)繞組和次級(jí)繞組導(dǎo)線截面積。

電流I1=Jq1,I2=Jq2,假定初級(jí)繞組和次級(jí)繞組導(dǎo)線電流密度都一樣為J。

PN=I12r1+I22r2=J2q12ρlN1N1/q1+ J2q22ρlN2N2/q2=J2ρ(lN1N1q1+lN2N2q2)=J2ρGN/δN,GN是線圈導(dǎo)電材料重量,δN是導(dǎo)電材料密度。

從公式看出,線圈損耗與導(dǎo)電材料的電阻率ρ、所取的電流密度J的平方和線圈導(dǎo)電材料重量GN成正比,和導(dǎo)電材料密度δN成反比。

值得注意的是,變壓器的工作磁通密度受鐵心損耗的限制,因?yàn)閱挝恢亓胯F心損耗Pc是在一定磁通密度下測(cè)試數(shù)值的,如果工作磁通密度與測(cè)試時(shí)的磁通密度不同,要進(jìn)行調(diào)整,或者在工作磁通密度下重新測(cè)試。因此,在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)要注意,不能只根據(jù)鐵心材料的飽和磁通密度,還要考慮鐵心損耗來(lái)選取變壓器的工作磁通密度。如果選擇不當(dāng),會(huì)造成鐵心損耗過大,變壓器工作時(shí)的溫升會(huì)超過規(guī)定數(shù)值。

負(fù)載損耗Pk包括空載損耗PO和線圈損耗PN兩部分,如果PN遠(yuǎn)大于PO,負(fù)載損耗PK可認(rèn)為就是線圈損耗。但是在中頻和高頻變壓器中,鐵心損耗PC比較大,由它形成的空載損耗PO比較大,有時(shí)甚至超過載圈損耗PN,就不可以忽略,而必須同時(shí)考慮鐵心損耗和線圈損耗。

4 電感器技術(shù)參數(shù)

4.1電感

電感L=μ0μKc N2

電感L與鐵心磁導(dǎo)率μ0μ,鐵心填充系數(shù)Kc,鐵心截面積Ac成正比,與鐵心平均磁路長(zhǎng)度lc成反比,與線圈匝數(shù)平方成正比。為了討論電感L與鐵心之間的關(guān)系,一般用電感系數(shù)AL=L/N2。

AL=μ0μKcAc/lc=μ0μKcAclc/lc2=μ0μKcGc/lc2δc

電感系數(shù)與鐵心磁導(dǎo)率μ0μ,鐵心填充系數(shù)Kc,鐵心重量Gc成正比,與鐵心平均磁路長(zhǎng)度lc的平方、鐵心材料密度δc成反比。

4.2電感能量

WL= LIM2,IM是電感線圈中電流的最大值,IM=Jq,J是線圈電流密度,q是導(dǎo)線截面積。

WL= μ0μkc N2J2q2= μ0μ J2 ,GN是導(dǎo)電材料重量,GN=NqlNδN。

從公式看出,電感能量與鐵心材料磁導(dǎo)率μ0μ,鐵心重量Gc成正比,與鐵心平均磁路長(zhǎng)度lC的平方和鐵心材料密度δc成反比;與導(dǎo)電材料的電流密度J的平方,導(dǎo)電材料重量GN的平方成正比,與線圈的平均匝長(zhǎng)lN和導(dǎo)電材料密度δN的平方成反比。

5 結(jié)語(yǔ)

從上面介紹的電源中變壓器的一般要求,變壓器和電感器主要技術(shù)參數(shù)與鐵心材料和導(dǎo)電材料之間關(guān)系,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 鐵心材料作為變壓器鐵心的主要性能指標(biāo)是飽和磁通密度和在一定磁通密度、一定工作頻率下的單位重量損耗。作為電感器鐵心的主要性能指標(biāo)是磁導(dǎo)率。

導(dǎo)電材料的主要性能指標(biāo)是允許電流密度和電阻率。

(2) 鐵心材料和導(dǎo)電材料用量對(duì)變壓器和電感器的主要技術(shù)參數(shù)都有影響,同時(shí)也會(huì)影響成本等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(3) 電源中變壓器的一般要求是選用鐵心材料和導(dǎo)電材料的主要出發(fā)點(diǎn)。在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌兼顧技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),千萬(wàn)不要忘記作為一種商品的產(chǎn)品的總要求,是在具體使用條件下完成具體的功能中,追求性能價(jià)格比最高。

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xlong97 05-05 15:38


產(chǎn)品測(cè)試除了考核其自身的技術(shù)指標(biāo)外,根據(jù)不同的分類,還需做一些相關(guān)的測(cè)試
貼個(gè)家電類的參考一下,設(shè)計(jì)者要做的工作就是正確地分類,尋找相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),然后按標(biāo)準(zhǔn)要求去實(shí)施.若沒有對(duì)口標(biāo)準(zhǔn),就靠相近的標(biāo)準(zhǔn),或制定有關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

家電類電子產(chǎn)品安全性能測(cè)試方法

家用電器都是在通電后才能工作,而且大多數(shù)家用電器使用的都是220V交流電,屬于非安全 電壓。此外,有的家用電器,例如電視機(jī)本身會(huì)產(chǎn)生1萬(wàn)V以上的高壓,人體一旦接觸這樣高 的電壓,發(fā)生觸電,就會(huì)有生命危險(xiǎn)。還有的家用電器中某些元器件存在著爆炸危險(xiǎn),如顯 像管等。所謂安全性就是指人們?cè)谑褂眉矣秒娖鲿r(shí)免遭危害的程度。因此,安全性是衡量家 用電器的首要質(zhì)量指標(biāo)。舉個(gè)例子,在上述的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4706 1 1998《家用和類似用途 電器的安全通用要求》中,要求家用電器必須有良好的絕緣性能和防護(hù)措施,以保護(hù)消費(fèi)者 使用的安全。如:規(guī)定了防觸電保護(hù),過載保護(hù),防輻射、毒性和類似危害的措施。上述標(biāo) 準(zhǔn)還規(guī)定了家用電器的設(shè)計(jì)和制造,應(yīng)保證在正常使用中安全可靠地運(yùn)行,即使在使用中可 能出現(xiàn)誤操作,也不會(huì)給使用者和周圍環(huán)境帶來(lái)危害。 家用電器安全防護(hù)分為兩大類:一類是按防觸電保護(hù)方式分;另一類是按防水程度分。為闡 明家用電器5種防觸電保護(hù)方式,先介紹幾個(gè)基本概念:

? ? 1. 基本絕緣 施加于帶電部件對(duì)電擊提供人基本防護(hù)的絕緣。是指在電器中的帶電部件上,用絕緣物將帶電部件封閉起來(lái),對(duì) 防觸電起基本保護(hù)作用的絕緣,如套有絕緣材料的銅、鋁等金屬導(dǎo)線。從結(jié)構(gòu)上,這種絕緣 都置于帶電部件上,直接與帶電部件接觸。

  2. 附加絕緣 在基本絕緣萬(wàn)一損壞時(shí),為對(duì)電擊提供保護(hù)而另外施加于基本絕緣的獨(dú)立絕 緣。如電熱毯電熱絲外包覆的塑料套管。

  3. 雙重絕緣 由基本絕緣和附加絕緣構(gòu)成的絕緣系統(tǒng)。同時(shí)具有基本絕緣和附加絕緣起防 觸電保護(hù)作用的絕緣,一旦基本絕緣失效時(shí),由附加絕緣起保護(hù)作用。如電視機(jī)電源線就采 用雙重絕緣。

  4. 加強(qiáng)絕緣 在GB 4706 1規(guī)定的條件下,提供與雙重絕緣等效的防電擊等級(jí),而施加于 帶 電部件的單一絕緣。它提供的防觸電保護(hù)程度相當(dāng)于雙重絕緣,但它是一種單獨(dú)的絕緣結(jié)構(gòu) ,可以由幾個(gè)不能像基本絕緣或附加絕緣那樣單獨(dú)試驗(yàn)的絕緣層組成。

下面介紹五種防觸電保護(hù)方式:

  1 依靠基本絕緣防止觸電的電器。它沒有接地保護(hù),在容易接近的導(dǎo)電部分和設(shè) 備固定布線中的保護(hù)導(dǎo)體之間,沒有連接措施。在基本絕緣損壞的情況下,便依賴于周圍環(huán) 境進(jìn)行保護(hù)的設(shè)備。一般這種設(shè)備使用在工作環(huán)境良好的場(chǎng)合。近年來(lái)對(duì)家用電器的安全要 求日益嚴(yán)格,這類電器已日漸減少,老式單速拉線開關(guān)控制的吊扇是這類電器。

  2 至少整體具有基本絕緣和帶有一個(gè)接地端子的電器,電源軟線中沒有接地導(dǎo) 線、插頭上也沒有接地保護(hù)插腳,不能插入帶有接地端的電源插座。老式國(guó)產(chǎn)波動(dòng)式電動(dòng)洗 衣機(jī)大多是這類電器。只備有接地端子,而沒有將接地線接到接地端子上,使用時(shí)由用戶 用接地線將機(jī)殼直接接地。

  3 除依靠基本絕緣進(jìn)行防觸電保護(hù)外,還包括一項(xiàng)附加安全措施,方法是將易 觸及導(dǎo)電部件和已安裝在固定線路中的保護(hù)接地導(dǎo)線連接起來(lái),使容易觸及的導(dǎo)電部分在基 本絕緣失效時(shí),也不會(huì)成為帶電體。例如,國(guó)產(chǎn)冰箱都是這類電器—連接地線。

  4 不僅僅依賴基本絕緣,而且還具有附加的安全預(yù)防措施。一般是采用雙重絕 緣或加強(qiáng)絕緣結(jié)構(gòu),但對(duì)保護(hù)接地是否依賴安裝條件,不作規(guī)定。例如,國(guó)產(chǎn)電熱毯大多是這類電器。

  5 依靠隔離變壓器獲得安全特低電壓供電來(lái)進(jìn)行防觸電保護(hù)。同時(shí) 在電器內(nèi)部的電路的任何部位,均不會(huì)產(chǎn)生比安全特低電壓高的電壓。

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)出版物中的安全特低電壓,是指為防止觸電事故而采用的特定電源供 電的電壓系列。這個(gè)電壓的上限值,在任何情況下,兩個(gè)導(dǎo)體間或任一導(dǎo)體與地之間,均不 得超過交流(50~500Hz)有效值50V。

我國(guó)規(guī)定安全特低電壓額定值等級(jí)為42V、36V、24V、12V、6V,當(dāng)電器設(shè)備采用了超過24V 的安全電壓時(shí),必須采取防止直接接觸帶電體的保護(hù)措施。目前使用的移動(dòng)式照明燈多屬這類電器。

家用電器安全防護(hù)按防水保護(hù)程度可分為4種:普通型器具、防滴型器具、防濺型器具、水 密型器具。家用電淋浴器、快速式電熱水器。部分房間用空調(diào)器屬于防濺型電器,吸塵器有 普通型、防濺型電器兩種,部分電熱毯也有做成水密型電器,標(biāo)志為IPX0~IPX7。

四、家用電器安全性能的簡(jiǎn)易測(cè)試方法

  為了確保家用電器具有良好的電氣性能,對(duì)于電熱電器和電動(dòng)電器要進(jìn)行泄漏電流和絕緣電 氣強(qiáng)度試驗(yàn)。在家用電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中,一般規(guī)定要測(cè)試工作溫度下的電氣絕緣和泄漏電流, 試驗(yàn)比較復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化,下面介紹的三種電器安全性能測(cè)試,均是在冷態(tài)、不連接電源情 況下進(jìn)行。

  1 絕緣電阻測(cè)試

  家用電器產(chǎn)品絕緣電阻是評(píng)價(jià)其絕緣質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志之一。絕緣電阻是指家用 電器帶電部分與外露非帶電金屬部分之間的電阻。

  隨著家用電器工業(yè)迅速發(fā)展和這類產(chǎn)品的普及率大大提高,為確保使用者人身安全,對(duì)家用 電器的絕緣質(zhì)量要求也越來(lái)越嚴(yán)格。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)量帶電部件與殼體之 間的絕緣電阻時(shí),基本絕緣條件的絕緣電阻值不應(yīng)小于2MΩ;加強(qiáng)絕緣條件的絕緣電阻值不 應(yīng)小于7MΩ;Ⅱ類電器的帶電部件和僅用基本絕緣與帶電部件隔離的金屬部件之間,絕緣電 阻值不小于2MΩ;Ⅱ類電器的僅用基本絕緣與帶電部件隔離的金屬部件和殼體之間,絕緣電 阻值不小于5MΩ。

  測(cè)量家用電器的絕緣電阻,可以選用500V兆歐表(俗稱搖表),搖表上有分別標(biāo)志著接地E, 電路L和屏蔽G三個(gè)接線端子,測(cè)量時(shí),一般只用E、L兩端。測(cè)量前,應(yīng)先對(duì)搖表進(jìn)行必要的 檢查:先使搖表端子處于開路狀態(tài),搖動(dòng)手柄,觀察表頭指針是否處于“∞”位置;再將E 端和L端短接,慢慢搖動(dòng)手柄,觀察表頭指針是否處于“O”位置。開始測(cè)量時(shí),首先將被測(cè) 產(chǎn)品脫離電源,然后從搖表上的電路L端子和接地E端子的兩個(gè)接線柱上分別引出兩根單股導(dǎo) 線,分別連接到被測(cè)產(chǎn)品的受測(cè)部分,以120次~150次/分的速度,平穩(wěn)地?fù)u動(dòng)手柄約1分鐘 ,待指針穩(wěn)定不動(dòng)時(shí),即可讀出絕緣電阻值。

  測(cè)量電機(jī)對(duì)地絕緣電阻時(shí),E端接電機(jī)外殼,L端接電機(jī)繞組;測(cè)量電機(jī)兩相之間絕緣電阻時(shí) ,應(yīng)將E、L兩端分別接在兩相繞組上。在測(cè)量過程中,如果指針指向O位,表明了絕緣失效 ,應(yīng)停止搖動(dòng)手柄,防止燒壞搖表。

  2 泄漏電流測(cè)試

  家用電器的泄漏電流是家用電器在外加電壓作用下,流經(jīng)絕緣部分的電流,上述測(cè)量絕緣電 阻的搖表,實(shí)際上測(cè)量的是泄漏電流,只不過以電阻形式表現(xiàn)出來(lái)。搖表的額定電壓,如50 0V搖表,是指搖表空轉(zhuǎn)時(shí)的端電壓為500V,在測(cè)量過程中,搖表的輸出電壓隨被測(cè)絕緣電阻 不同變化很大,遠(yuǎn)低于其額定電壓。 因此,不能發(fā)現(xiàn)絕緣物硬傷、脆裂和高電阻接地等缺陷。家用電器泄漏電流測(cè)試要采 用專用泄漏電流儀,如用NL 454型泄漏電流儀測(cè)試電冰箱的泄漏電流。

  對(duì)于各類家用電器,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了泄漏電流不應(yīng)超過的上限值,產(chǎn)品出廠前都要進(jìn)行測(cè)試。

  測(cè)試時(shí)施加電壓為家用電器額定電壓1 06倍,在電壓施加5s內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,施加試驗(yàn) 電壓的部位是家用電器帶電部件和僅用基本絕緣與帶電部件隔離的殼體之間,以及帶電部件 和用加強(qiáng)絕緣與帶電部件隔離的殼體之間。如果帶電部件和金屬殼或金屬蓋之間距離小于GB 4706 1 1998《家用和類似用途電器的安全通用要求》第29 1條所規(guī)定的適當(dāng)間隙時(shí), 施 加試驗(yàn)電壓的部位是用絕緣材料做襯里的金屬殼或金屬蓋與貼在襯里內(nèi)表面的金屬箔之間。

  1982年10月IEC335 1第三次修正時(shí)才確定泄漏電流測(cè)試線路,并被我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采納。安 全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電熱器具要測(cè)熱和潮濕狀態(tài)下泄漏電流,電動(dòng)器具要測(cè)工作溫度狀態(tài)下泄漏電流 。

  對(duì)于一般單位和廣大消費(fèi)者,是沒有條件測(cè)試家用電器泄漏電流的。最簡(jiǎn)單的判別方法,可 用試電筆檢查家用電器機(jī)殼外露金屬部分。如果接觸到這些部位,試電筆有亮光,用手觸碰 ,有麻手感覺,嚴(yán)重漏電時(shí),對(duì)人體還有電擊現(xiàn)象,可以初步判定,該機(jī)泄漏電流過大。

  3 絕緣電氣強(qiáng)度試驗(yàn)

  通用要求規(guī)定,電熱器具在作溫度和濕熱試驗(yàn)后均要進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗(yàn),電動(dòng)器具只在濕熱 試驗(yàn)后進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗(yàn)。

  家用電器在長(zhǎng)期使用過程中,不僅要承受額定電壓,還要承受工作過程中短時(shí)間內(nèi)高于額定 工作電壓的過電壓的作用,當(dāng)過電壓達(dá)到一定值時(shí),就會(huì)使絕緣擊穿,家用電器就不能正常 工作,使用者就可能觸電而危及人身安全。電氣強(qiáng)度試驗(yàn)俗稱耐壓試驗(yàn),是衡量電器的絕緣 在過電壓作用下耐擊穿的能力,這也是一種考核該產(chǎn)品是否保證使用安全的可靠手段。

  電氣強(qiáng)度試驗(yàn)分兩種:一種是直流耐壓試驗(yàn),另一種是交流工頻耐壓試驗(yàn)。家用電器產(chǎn)品一 般進(jìn)行交流工頻耐壓試驗(yàn)。電氣強(qiáng)度試驗(yàn)受試部位和試驗(yàn)電壓值,在各產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中都作了具 體說明和規(guī)定。

  一般的說,在工作溫度下,Ⅱ類電器在與手柄、旋紐、器件等接觸的金屬箔和它們的軸之間 ,施加試驗(yàn)電壓為2500V;Ⅲ類電器使用基本絕緣,試驗(yàn)電壓500V;其它電器,采用基本絕 緣,試驗(yàn)電壓1250V,采用加強(qiáng)絕緣,試驗(yàn)電壓為3750V。除電動(dòng)機(jī)絕緣外,其他部分的絕緣 應(yīng)能承受1min,正弦波、頻率為50Hz的耐壓試驗(yàn),不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)和擊穿。試驗(yàn)開始時(shí),先將 電壓加至不大于試驗(yàn)電壓50%,然后迅速升到試驗(yàn)電壓規(guī)定值,并持續(xù)到規(guī)定時(shí)間。
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