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隔离变压器概述 ,三相隔离变压器

来源:      2017/7/3 15:14:57      点击:

隔离变压器概述 

                                     作者:钱振宇

       隔离变压器是电源线抗干扰的一种常用措施,用以解决设 备间的电气隔离。通过浮地,较好地解决了电路环流在公 共阻抗上产生的电压变化对敏感设备带来的干扰问题。但 是隔离变压器的作用还不止这些,即使是普通的隔离变压 器,它对于设备所经受的共模干扰也有一定抑制作用,只 是效果较差。随着变压器屏蔽层的采用,再在隔离变压器结构 上采取一定措施,变压器的抗干扰能力会有很大提高。本 章讲述普通隔离变压器、带屏蔽层的隔离变压器和超级隔离变压器,以及它们的抗干扰效果。 

1,最简单的隔离变压器 :最简单的隔离变压器是一种在初级与次级之间不设屏蔽 层、匝数为一比一(或者按需配置比例)的变压器,主要用于解决输入与输出间 的电气隔离,从而解决两者之间的共地问题。根据最简单 的隔离变压器主要解决了初、次级之间隔离,或者绝缘的 这一特点,所以我们有时也把它称为绝缘变压器, 应该指出,最简单的隔离变压器对于共模干扰也有一定的 抑制作用,但效果一般。图中给出了普通隔离变压器对共 

模干扰抑制作用的原理分析简图。 



C :绕组间的分布电容; 

Z :绕组间的耦合阻抗; 

Z2 :负载对地的等效阻抗; 

e1 :初级干扰(共模电压); 

e2 :次级干扰(共模电压)。 

e =e Z /Z 


   由于共模干扰是一种相对大地的干扰,所以它不会通过变 压器来传递,而必须通过变压器绕组间的耦合电容传递。 我们用一个装置电容(装置对地的分布电容)来与整个用 电设备等效,其典型值为0.001 μF 。而一台普通隔离变压器 的耦合电容为几百至上千 PF,今假定为 1000PF.这样我们 就得到了如前图所示的干扰通路,共模干扰通过变压器的 耦合电容,经过装置电容再返回大地的。共模电压就按照 由变压器耦合电容与装置电容构成的分压器中电容量的大 小来分压,分压比为 
C2 /C1= 0.01×10-6/1000×10-12 =10 
亦即干扰的衰减为 10倍(20db)。 

有一个测试实例说,上海山杰1kVA隔离变压器,e1用1us 共模三 角波注入,在变圧器次级测得的共模衰减约为5dB(实际衰 减尚不足一半)。 

2,带屏蔽层的隔离变压器 :上述例子表明,要使隔离变压器获得优良的共模抑制性能,其关键是设法减小初、次级之间的耦合电容值。为此,在 初、次级之间设立屏蔽层(有些书上把这一屏蔽层称为法 拉弟屏蔽层,Faraday屏蔽层),它不影响变压器的能量 传输,但影响了绕组间的耦合电容。 图中画出了山杰带屏蔽层隔离变压器的共模干扰通路。从图中 可以看出,普通隔离变压器初级与次级之间的分布电容被 屏蔽层一分为二,初级与屏蔽层之间的为C1 ,次级与屏蔽 层之间的为C2,屏蔽层的接地阻抗为ZE ,负载对地的阻抗 为Z2 。这样变压器由初级传到次级的共模电压实际上要经 过两次分压,即ZC1  与Z1 的第一次分压; ZC2 与 Z2的第二次 分压。要使共模衰减变大,只要变压器屏蔽层的接地阻抗 变小(变压器的屏蔽层可靠接地),便能奏效。通常山杰带屏蔽层隔离变压器的共模衰减做到60-80dB 是可能的。 


C1:初级-屏蔽层的分布电容; 
C2:次级-屏蔽层的分布电容; 
ZC1:C1的阻抗; 
ZC2:C2的阻抗; 
ZE :屏蔽层的接地阻抗; 
 Z2 :负载的对地阻抗; 
e1 :初级共模干扰电压; 
 e2 :次级共模干扰电压。 
 e2 =e1×(ZF/ZC1 ) ×(Z2 /ZC2 ) 
 因ZC1 》ZE ,ZC2 》Z2 ,故e1 》e2 


                                 





有一种比前一张图更好的结构,是在初、次级绕组绕好, 包好绝缘后,再放入用金属箔做成的盒子(法拉弟屏蔽 盒),全部密封起来,并使其良好接地,包括引出线也全 部屏蔽起来,见下图所示。这种结构使得初级的干扰电流 大部分流入大地,进一步改善了隔离变压抑的性能。 

   上面的分析是针对电网中的共模干扰来说的,事实上电网中 还存在差模干扰,利用隔离变压器的屏蔽层还可以衰减差模 干扰。具体的做法是,将变压器的屏蔽层接到初级去。如果 初级有中心抽头,那么屏蔽层最好接在中心抽头上。如果变 压器初级无中心抽头,则用低阻抗的金属条将屏蔽层连到初 级的中线端,参见图中。对50Hz 的电网频率来说,由于初 级绕组与屏蔽层之间容抗值很高,50Hz 的市电还是要通过 变压器效应送到负载侧,未作任何衰减。对于频率较高的差 模干扰,由于初级绕组与屏蔽层间的容抗变小,屏蔽层与初 级绕组之间的金属条趋向于使有害的差模干扰给短路掉。 上述干扰抑制措施,同样适合于开关电源高频变压器设 计。 



3,高性能隔离变压器(超级隔离变压器) 已经看到,带屏蔽层隔离变压器对于电网中存在的共模和 差模干扰都有一定的抑制作用,所以这种变压器在日常的 抗干扰措施中是作为一种用途很广的措施在使用。那么有 没有一种比带屏蔽层隔离变压器性能更好隔离变压器可供 使用呢?答案是肯定的,这就是高性能的隔离变压器,也 称超级隔离变压器(意思是这种隔离变压器的隔离和抗干 扰性能超群)。 超级隔离变压器是一台性能比较完善的变压器,  除了有一般的隔离功能外 ,还同 时兼有抗共模和 差模干扰的能 力,而且各项指标都较高。图a 是超级隔离变压 器的例子,作为 对比,将普通隔 离变压器的结构 画在图b 中。



    从图a可知,超级隔离变压器一般采用E形铁芯,铁芯的夹 件和变压器的屏蔽外壳做成一体,直接用螺栓与铁芯紧固 在一起,使变压器的整体结构紧凑。铁芯的材料采用在高 频杂波分量作用下其磁导率会急剧下降的材料。对于功率 较大的变压器,也可以选用C形铁芯,以减轻变压器的重 量。 
    
为了减少初级绕组与次级绕组之间的分布电容,线圈的绕 制不能采用传统的初级与次级迭绕成交叉绕制的方法,而 应当将初级与次级绕组分别绕制。在E形铁芯中,初级线 圈与次级线圈采用上下同心式结构,初级线圈绕在铁心的 上半部分,次级线圈绕在铁心的下半部分,套装在铁芯的 中柱上。对C形铁芯,初级和次级绕组各分成一半,分别 分布在两个铁心柱上,每个铁芯柱上的半个初级绕组和半 个次级绕组按上、下同心式套装。这样可以大大减小两个 绕组间的分布电容,增加绕组间的漏感,使进入次级的共 模干扰与差模干扰大幅减少。相形之下,在图b 的普通隔 离变压器的结构图中,可以很清楚的看到变压器的线圈是 采用所谓同心配置构造,即其次级侧的线圈绕在里面,在 次级线圈的外面再绕初级线圈。从变压器的电磁转换的效 率上来说,这是一个很好的电力转换变压器,但这种结构 也非常容易将干扰从初级传导到次级去。 

    对超级隔离变压器而言,要使线圈一点也不外露,必须对 其进行严密的多重盒式屏蔽。把包好绝缘的初级和次级绕 组分别放进各自的法拉弟屏蔽盒。要注意屏蔽盒既要密 闭,又不能短路,而且要有良好的接地。目前大多采用在 绝缘薄膜上覆铜箔的材料制作屏蔽盒。当然也可采用铜箔 直接包制,但体积、重量要比前一种方法大,代价也高。 另外,在超级隔离变压器初级与次级线圈之间又插进“磁 场屏蔽板” ,专门用来隔离初级与次级线圈之间的泄漏电 感,以防止泄漏电感将初级这一侧的干扰感应至次级这一 侧。 最后,超级隔离变压器必须对初级和次级绕组的引出线进 行严格屏蔽。引出线必须采用屏蔽线或双层屏蔽线,其屏 蔽层与各自屏蔽盒焊接起来,两个法拉弟屏蔽盒的引出线 要尽可能短,并从不同方向引出。 

   超级隔离变压器安装时必须要有良好的接地。接地不限于 大地,在同一回路中被看成等电位的良导体都认为是地。 对一个良好的接地来说,即使对于高频干扰也应体现出极 低的接地阻抗。 超级隔离变压器的接线视使用情况不同而不同,从考虑与 接地的最佳连接条件出发,初级绕组的屏蔽接电源侧地; 次级绕组的屏蔽接设备侧的地;法拉弟屏蔽接大地;变压 器与电源侧和负载侧的连接线采用双层屏蔽线,外层屏蔽 接变压器外壳,内层分别接电源侧和负载侧的地。用户也 可以根据实际不同的使用场合进行适当连线。 为了进一步改善超级隔离变压器对差模的抑制能力,可在 变压器的输出端并联一个电容器,电容器的工作电压高于 变压器的次级输出电压,流过电容的电流取变压器负载电 流。则当电源频率为50Hz时,电容器的电容量为  C ≥320  I2/U2 

式中, I2为变压器次级的负载电流,A  
          U2 为变压器次级的负载电压,U  

          C为并联电容的电容量,μF 

     目前已有现成的超级隔离变压器在产品市场上出售,其额 定功率从100VA至几十kVA 。典型差模衰减量为60B 。共 模衰减量则按大小形成若干系列,如美国TOPAZ公司推 出的4个系列(40 系列、30 系列、20 系列和10 系列),其 共模衰减能力分别达到152dB、146dB、140dB和126dB。


从中可以看出,超级隔离变压器从10kHz开始对差模干扰 有衰减作用,在1MHz附近衰减量达到60dB左右,在这以 后由于分布参数的作用,衰减曲线变得有点起伏不定。对 于共模干扰的衰减几乎从直流开始即有极好的衰减特性  (在图中已看不出它的确切数值,说明衰减量要远大于 80dB),只是到了10MHz之后,由于分布参数的作用, 衰减曲线开始有点起伏。由此可见,超级隔离变压器对干 扰确有良好的抑制作用,特别是对低频部分的衰减是普通 电源线滤波器所不能比拟的,这也正是人们对这种变压器 给予关注的原因所在。对于频率更高干扰的衰减可以通过 与电源线滤波器的级联来达到,这样从低频到高频都可以 得到比较理想的干扰抑制特性。 


隔离变压器的安装 :隔离变压器的安装要求与滤波器相似,要避免初级与次 级之间的电磁耦合。下图给出了一些安装的例子。另 外,隔离变压器的屏蔽层连接线必须粗、短,而且要直 接,否则在高频时的屏蔽效果就要下降。