供电用干式变压器的要求和技术参数

1前言

电源一般包含由软磁芯组成的电磁器件。广义上，电子设备和电子电路中的电磁器件称为电子干式变压器。电源中的干式变压器或电磁装置大多属于电子式干式变压器。然而，在一些电源中，干式变压器对高压电阻也有绝缘要求。例如，对于大容量DC电源和大容量不间断电源，整流干式变压器不是从一般的380伏或220伏输入，而是从10KV或6.3KV输入，这与一般的电子干式变压器有很大的不同，但更类似于电力干式变压器。因此，本文所讨论的电源中的干式变压器既包括电子式干式变压器，也包括电力干式变压器。

本文论述了电源中干式变压器的要求和技术参数，以及它们与铁心材料和导电材料的关系，以便更好地理解另外两篇文章中介绍的干式变压器铁心材料和导电材料的较新动态中的内容，使三篇文章形成一个有机的整体。写这三篇文章的目的是通过了解铁芯材料和导电材料的近期动态，更好地把握干式变压器在电源行业的发展趋势，为电源行业、电子干式变压器行业、电力干式变压器行业的朋友提供参考。如有错误，请指正。

2一般要求

电源中的干式变压器作为一种商品产品，具有在特定使用阈值下完成特定功能，追求较高性价比的一般要求。从总体需求出发，提出了使用门槛、完成功能、提高效率、降低成本四个总体需求。它包括技术性能和经济指标。

2.1使用阈值

干式变压器在电源中的使用门槛，包括可靠性和电磁兼容性。

使用可靠性是指在特定的使用阈值下，干式变压器能够正常工作，直至使用寿命。环境温度对干式变压器的影响较大。居里点决定了芯材受温度影响的强度。芯材居里点高，受温度影响小，芯材居里点低，受温度影响大。MnZn软磁铁氧体的居里点一般只有215，相对较低，磁通密度、磁导率和损耗都随温度变化。除正常温度25外，还应给出60、80和100下的各种参数数据。锰锌铁氧体磁芯，一般工作温度限制在100以下，即环境温度为40时，温升只允许低于60。钴基非晶合金的居里点为205，也很低，使用温度限制在100以下。铁基非晶合金的居里点为370，可在150和180以下使用。铁基纳米晶合金的居里点为600，硅钢的居里点为730，可在300以下使用。

决定导电材料工作温度的不是铜线，而是外绝缘材料的耐热等级。例如，QZ聚酯漆包线的耐热等级为B，较高温度为130。QY聚酰亚胺漆包线，耐热等级为，较高工作温度为220。

电磁兼容是指干式变压器对外界不能产生电磁*的同时，还要承受外界的电磁*。电磁*包括听得见的音频噪声和听不见的高频噪声。干式变压器产生电磁*的主要原因是铁芯的磁致伸缩，磁致伸缩系数大的铁芯材料产生的电磁*大。铁基非晶合金的磁致伸缩系数为(2730)10-6，较大。用它制作铁芯时，必须采取措施降低噪声抑制。锰锌软磁铁氧体的磁致伸缩系数约为21 10-6，容易产生电磁*效应。3%取向冷轧硅钢的磁致伸缩系数为(1-3) 10-6。铁基纳米晶合金的磁致伸缩系数为(0.5-2) 10-6，易产生电磁。6.5%无取向硅钢和钴基非晶合金的磁致伸缩系数约为0.110-6，不易产生电磁*。铁芯材料产生的电磁*的频率一般与干式变压器的工作频率相同。如果有电磁*低于或高于工作频率，是其他原因造成的。导电材料不产生电磁*。用导电材料缠绕的线圈可能会产生电磁，这种电磁不是由导电材料引起的，而是由导电材料与线圈结构的相互作用引起的。 #p#分页标题#e#

2.2完成功能

电源中的电磁器件主要分为干式变压器和电感。干式变压器有三种功能：输电、电压转换和绝缘隔离。电感完成的功能有两个：功率传输和纹波抑制。在这里，我们不仅要讨论干式变压器在电源中完成的功能，还要讨论电感在电源中完成的功能。

干式变压器的功率传输是这样完成的：施加在干式变压器初级绕组上的交流电压在铁芯中产生磁通变化，使次级绕组感应电压并输出给负载，从而将电能从初级传输到次级。传输功率取决于感应电压，即单位时间内的磁通密度变化B。B与磁导率无关，与饱和磁通密度Bs和剩余磁通密度Br有关。硅钢的饱和磁通密度为1.5-2.03吨，铁基非晶合金的饱和磁通密度约为1.58吨，铁基纳米晶合金的饱和磁通密度为1.2-1.45吨，钴基非晶合金的饱和磁通密度为0.5-0.8吨.锰锌软磁铁氧体的饱和磁通密度为0.30.5T.作为干式变压器的核心材料，硅钢占主导地位，铁基非晶合金次之，MnZn软磁铁氧体次之。

电感的功率传输是这样完成的：输入电感绕组的电能激励铁芯，变成磁能，储存起来，再通过退磁变成电能，释放给负载。传输功率取决于铁芯的储能，也就是电感的电感。电感与饱和磁通密度没有直接关系，与磁导率有关。高磁导率、高电感、高传输能量、高传输功率。钴基非晶合金的磁导率为(1 1.5) 106，铁基纳米晶合金为(5 8) 105，铁基非晶合金为(2 4) 105，硅钢为(2 9) 104，MnZn软磁铁氧体为(1 3) 104。作为电感器的核心材料，钴基非晶合金和铁基纳米晶合金占主导地位，硅钢和锰

传送功率大小，还与单位时间内的传送次数有关，即与干式变压器和电感器的工作频率有关。工作频率越高，在同样尺寸的铁心和同样匝数的线圈条件下，传送功率越大。

电压变换通过干式变压器初级和次级线组的匝数比来完成。不管干式变压器功率传送大小如何，初级和次级绕组的匝数比就等于输入和输出的电压变换比。

绝缘隔离，通过干式变压器初级和次级绕组的绝缘结构来完成。外加电压和变换电压越高，绝缘结构越复杂。一般电子干式变压器外加电压小于1kV，绝缘结构比较简单。电力干式变压器外加电压超过6kV，绝缘结构比较复杂，除了承受工频试验电压而外，还要求承受短时冲击试验电压。

电感器的纹波抑制通过自感电势来实现。只要流过电感器的电流发生变化，线圈在铁心中产生的磁通也会随着发生变化，使电感器线圈两端出现自感电势，其方向与外加电压方向相反，从而阻止电流的变化。纹波的变化频率比工作频率(基本频率)高，因此更能被电感器产生的自感电势抑制。纹波抑制能力决定于自感电势的大小，也就是决定于电感量大小。电感量与铁心材料的磁导率有关，从电感器抑制纹波能力来看，磁导率大的钴基非晶合金和铁基纳米晶合金作为铁心材料比较好，磁导率小的硅钢和MnZn软磁铁氧体作为铁心材料比较差。#p#分页标题#e#

2.3提高效率

提高效率是对电源中干式变压器的一个重要要求，一个原因是由于石油、煤等能源价格上涨，节能成为当代的一个重要任务。许多电子设备，包括电源在内，不单要求考核负载时的能耗，还要求考核待机(接近空载)时的能耗。电源中干式变压器的损耗是电源待机能耗中的主要部份。另一个原因是电源中干式变压器数量巨大，虽然从单个电源中干式变压器来看，损耗只有几瓦，并不多。但是成十万个，成百万个电源中干式变压器，总损耗可达到几十万瓦，几百万瓦，相当可观。还有，许多电源中干式变压器一直长期运行，年总损耗决不是一个小数目。因此，电源中干式变压器必须提高效率，降低损耗成为一个重要要求。

电源中干式变压器损耗包括铁心损耗和线圈损耗。铁心损耗只要电源中干式变压器投入运行，一直存在，是干式变压器空载损耗的主要部分。在设计和制作干式变压器铁心时，要选择损耗比较低的铁心材料。铁心材料损耗与干式变压器铁心的工作磁通密度和工作频率有关，因此，铁心材料的损耗必须注明。例如：P1.4/50是工作磁通密度1.4T和工作频率50HZ下的损耗。P1.0/400是工作磁通密度1.0T和工作频率400HZ下的损耗。P0.25/100K是工作磁通密度0.25T(250mT)和工作频率100kHZ下的损耗。

铁心材料损耗包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，涡流损耗与铁心材料电阻率有关。电阻率越大，涡流损耗越小。MnZn软磁铁氧体电阻率为108 109 cm，在高频中涡流损耗小，在电源中的高频干式变压器中应用占优势，铁基非晶合金电阻率为130 150 cm，硅钢电阻率为20 40 cm，比MnZn软磁铁氧体小106 107倍，在高频中涡流大。如果要在电源中的高频干式变压器中应用，必须采取措施，例如减少金属铁心材料的厚度，现在各种工作频率的干式变压器使用的金属铁心材料的带材厚度一般是：工频50HZ 60HZ用0.50 0.23mm(500 230 m)，中频400HZ至1kHZ用0.20 0.08mm(200 80 m)，1kHZ至20kHZ用0.10-0.025mm(100-25 m)，中高频20kHZ至100kHZ用0.05-0.015mm(50-15 m),高频100kHZ至1MHZ用0.02-0.005mm(20-5 m)，1MHZ以上用小于5 m。铁基非晶合金由于喷带设备原因，带厚一般为40 25 m，在工频50HZ至中频400HZ 20kHZ时都可使用。用于中高频和高频的铁基纳米晶合金，带厚一般都小于18 m。以前人有认为：铁心的填充系数与金属铁心材料的带厚有关，并且提出一个计算的经验公式，把铁心材料的带厚作为决定铁心填充系数的唯一因数。现在看来，这个计算铁心填充系数的经验公式并不完全成立。因为，铁心填充系数并不只由铁心材料带厚一个因数决定，还受涂层厚度、带材平整度和带材均匀度等其他因数影响。按照经验公式计算，铁基非晶合金带厚25 m时，填充系数达不到0.80，而现在用25 m厚铁基非晶合金带材加工成的干式变压器铁心，填充系数一般都大于0.86，甚至还达到0.90。#p#分页标题#e#

电源中干式变压器线圈损耗是负载损耗的主要部份。线圈损耗决定于导电材料的电阻率。现在电源中干式变压器的导电材料绝大多数采用铜。而不用铝，原因就是铜的电阻率小，造成的线圈损耗小，在有些体积小的高频平面干式变压器和薄膜干式变压器中，导电材料还采用电阻率更小的金和银。这是因为干式变压器的体积小，散热面积小，要求线圈损耗更小，才能保证平面干式变压器和薄膜干式变压器的线圈温升不会超过规定的允许值。

2.4降低成本

降低成本是电源干式变压器作为商品的一个重要要求，有时甚至是决定性的要求。因为在商品竞争中性能价格比是产品的主要指标。不注意降低成本，不注意降低价格，往往会在商品竞争中被淘汰。

电源中干式变压器成本包括材料成本、制造成本和管理成本。材料成本在总成本中一般占有40%至60%，是较重要的部份。材料成本中铁心材料和导电材料成本又占80%左右。因此铁心材料和导电材料的市场动向，价格变化情况对电源中干式变压器成本具有重大影响。降低材料成本，还与设计有关。在设计电源中干式变压器时，应当根据铁心材料和导电材料的价格，调整干式变压器的用铁心材料量与用导电材料量的比值(铜铁比)，使材料成本在现有条件下达到较低。现在采用计算机设计电源中干式变压器时，追求成本较低，应当成为一个主要限制条件。

制造成本也与设计和工艺有关。设计电源中干式变压器时，不单要考虑铁心材料和导电材料的价格和用量，还要考虑铁心和线圈的结构以及干式变压器总体结构是否便于加工和装配?需用多少人工工时?需要多少设备和工模具?需要什么检测设备和仪器来控制质量?这些都是干式变压器设计者应当考虑的。

管理成本决定于人力和财力的利用是否充分。充分利用人力，是指提高工时利用率，减少管理人员和工人的比例等。充分利用财力，是指缩短生产周期，减少库存，加快资金流转等。这些主要由经营管理人员负责。但是与干式变压器设计者也有关系。如果设计的干式变压器便于加工和装配，可以缩短生产周期。所用的原材料和配件便于采购，可以减少库存。这些都有利于降低管理成本。

所以，一个好的电源中干式变压器设计者，除了了解干式变压器理论和设计方法而外，还要了解铁心材料、导电材料、绝缘材料、结构材料的价格和市场动向，还要了解铁心、线圈和干式变压器总体加工和装配工艺，还要了解实现质量控制的检测参数和仪器设备，还要了解生产管理知识和干式变压器市场动向等等。只有知识全面的干式变压器设计者，才能设计出性能好，价格合式的干式变压器产品。#p#分页标题#e#

3 干式变压器技术参数

下面分析干式变压器主要技术参数与铁心材料和导电材料之间的关系。

3.1干式变压器容量

干式变压器输入容量W1=U1I1，干式变压器输出容量W2=U2I2，W2= W1， 是干式变压器效率。

U1是输入电压，也是初级绕组上加的电压U1=2KufN1△BAcKc，Ku是电压波形系数，f是工作频率，N1是初级绕组匝数，△B是铁心中磁通密度变化量，Ac是铁心截面积，铁心截面积乘以铁心的填充系数Kc，是铁心实际截面积。

U2是输出电压，也是次级绕组上的电压，U2=U1N1/N2，由初级绕组与次级绕组的匝数比来决定。

I1是输入电流，也是初级绕组中的电流，I1=Jq1，J是电流密度，q1是初级绕组导线截面积。

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

N1q1是初级绕组所占窗口面积。设次级绕组所占窗口面积和效率 相当，则总窗口面积，A0=(1+ )N1q1/k0，k0是窗口的填充系数。N1q1=A0kO/(1+ )。

W1=2Kuf△BJAckc A0kO/(1+ )。

l 铁心材料重量Gc=kcAclc c，lc是平均磁路长度。kcAc=Gc/lc c。

导电材料重量GN=k0AolN N，lN是线圈平均匝长。K0AO=GN/lN N。

(1+ )W1=2KufKc△B K0J 。 (1+ )W1是干式变压器总容量=W1+W2

从这个公式可以看出，干式变压器总容量与铁心材料的关系连涉到三个参数：铁心中磁通变化量△B，铁心材料重量Gc，平均磁路长度lc，干式变压器总容量与导电材料的关系也牵涉到三个参数：电流密度J，导电材料重量GN，线圈平均匝长lN。另外，铁心材料密度 c和导电材料密度 N也有影响。

其中△B是铁心中磁通变化量，一般对单方向激磁干式变压器，△B=Bm-Br，对双方向激磁干式变压器，△B=2Bm。选取Bm时，不单要考虑铁心材料的饱和磁通密度，还要考虑铁心材料在工作频率f下的损耗。

J是导线的电流密度，决定于导电材料外包绝缘耐热等级，也就是允许温升，在选取了J时，还要考虑干式变压器的散热条件。

3.2效率和损耗

干式变压器效率 =P2/P1，P2是输出功率，P1是输入功率。

P1=P2+Pk， =P2/P2+PK=1- =1- PK是负载损耗，PK=PO+PN，PO是空载损耗，也就是铁心损耗。PN是线圈损耗。

铁心损耗P0=PC(T/HZ)GC，PC(T/H2)是在一定磁通密度T和一定工作频率HZ下的单位重量铁心损耗。可以自己进行测试，或者由铁心材料生产单位提供测试数据。除了MnZn软磁铁氧体的PC受温度影响比较大而外，其他金属铁心材料的单位重量损耗PC与温度无关。总的铁心损耗与铁心单位重量损耗PC和铁心重量GC成正比。

线圈损耗PN=I12r1+I22r2，r1是初级绕组电阻，r2是次级绕组电阻，都会受温度影响，必须说明是在什么温度下的线圈损耗和负载损耗。例如对A级绝缘的线圈，要给出75℃温度下的线圈损耗和负载损耗。

绕组电阻r1= lN1N1/q1，r2= lN2N2/q2， 是导电材料电阻率，lN1，lN2是初级绕组和次级绕组平均匝长，q1 q2是初级绕组和次级绕组导线截面积。

电流I1=Jq1，I2=Jq2，假定初级绕组和次级绕组导线电流密度都一样为J。

PN=I12r1+I22r2=J2q12 lN1N1/q1+ J2q22 lN2N2/q2=J2 (lN1N1q1+lN2N2q2)=J2 GN/ N，GN是线圈导电材料重量， N是导电材料密度。

从公式看出，线圈损耗与导电材料的电阻率 、所取的电流密度J的平方和线圈导电材料重量GN成正比,和导电材料密度 N成反比。

值得注意的是，干式变压器的工作磁通密度受铁心损耗的限制，因为单位重量铁心损耗Pc是在一定磁通密度下测试数值的，如果工作磁通密度与测试时的磁通密度不同，要进行调整，或者在工作磁通密度下重新测试。因此，在设计干式变压器时要注意，不能只根据铁心材料的饱和磁通密度，还要考虑铁心损耗来选取干式变压器的工作磁通密度。如果选择不当，会造成铁心损耗过大，干式变压器工作时的温升会超过规定数值。

负载损耗Pk包括空载损耗PO和线圈损耗PN两部分，如果PN远大于PO，负载损耗PK可认为就是线圈损耗。但是在中频和高频干式变压器中，铁心损耗PC比较大，由它形成的空载损耗PO比较大，有时甚至超过载圈损耗PN，就不可以忽略，而必须同时考虑铁心损耗和线圈损耗。

4 电感器技术参数

4.1电感

电感L= 0 Kc N2

电感L与铁心磁导率 0 ,铁心填充系数Kc，铁心截面积Ac成正比，与铁心平均磁路长度lc成反比，与线圈匝数平方成正比。为了讨论电感L与铁心之间的关系，一般用电感系数AL=L/N2。

AL= 0 KcAc/lc= 0 KcAclc/lc2= 0 KcGc/lc2 c

电感系数与铁心磁导率 0 ，铁心填充系数Kc，铁心重量Gc成正比，与铁心平均磁路长度lc的平方、铁心材料密度 c成反比。

4.2电感能量

WL= LIM2，IM是电感线圈中电流的较大值，IM=Jq，J是线圈电流密度，q是导线截面积。

WL= 0 kc N2J2q2= 0 J2 ，GN是导电材料重量，GN=NqlN N。

从公式看出，电感能量与铁心材料磁导率 0 ，铁心重量Gc成正比，与铁心平均磁路长度lC的平方和铁心材料密度 c成反比;与导电材料的电流密度J的平方，导电材料重量GN的平方成正比，与线圈的平均匝长lN和导电材料密度 N的平方成反比。

5 结语

从上面介绍的电源中干式变压器的一般要求，干式变压器和电感器主要技术参数与铁心材料和导电材料之间关系，可以得出以下几点结论：

(1) 铁心材料作为干式变压器铁心的主要性能指标是饱和磁通密度和在一定磁通密度、一定工作频率下的单位重量损耗。作为电感器铁心的主要性能指标是磁导率。

导电材料的主要性能指标是允许电流密度和电阻率。

(2) 铁心材料和导电材料用量对干式变压器和电感器的主要技术参数都有影响，同时也会影响成本等经济指标。#p#分页标题#e#

(3) 电源中干式变压器的一般要求是选用铁心材料和导电材料的主要出发点。在具体设计中应当统筹兼顾技术经济指标，千万不要忘记作为一种商品的产品的总要求，是在具体使用条件下完成具体的功能中，追求性能价格比较高。