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作者:楊哲彰(2004-09-02)﹔推薦:徐業良(2004-12-31)

認識變壓器

變壓器在輸配電系統中扮演著電力轉換與聯絡的工作,例如發電廠在輸配電時需要以高電壓方式傳輸(345KV161KV以及69KV等),接近用戶端又逐次降壓至110V,這些程序都必需藉由變壓器來達成;日常所使用的很多電器用品,其內部也都有變壓器,或配置外接式變壓器,將110V的交流電源轉換為適當的電壓值,即可再經由整流濾波線路而得到低電壓的直流工作電源;有些產品已改採用交換式電源(switch power)取代傳統線圈型變壓器,該類變壓器具備高效率、無磁漏、低雜訊之優點,逐漸應用在如電腦等設備上。本文將針對一般小型傳統線圈型變壓器做基本原理介紹,並說明使用與選購相關常見問題。

1.     電壓器原理

線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產,至今已超過一世紀,長時間以來已經廣為運用且有諸多改良,設計出不同的型態,但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉換感應的原理,將兩組線圈繞製在共同的「鐵心(core)」上,如圖1所示,連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primary coil)」,連接負載端的稱為「二次線圈」或「副線圈(secondary coil)」。

當一次線圈接上交流電源,於該線圈通過的電流會在鐵心中產生磁通量變化,另一端的二次線圈會因為感應的電動勢(emf),而產生另一個相同頻率的交流電。式(1)「法拉第定律(Faraday’s Law)」說明感應電動勢與磁通量以及線圈匝數的關係,其中e為感應電動勢,N為線圈匝數,為磁通量。在理想情況下,線圈每一匝的磁通量皆相同,因此亦為相同,故感應電壓與線圈匝數成正比(式(2)),若二次側線圈數(N2)大於一次側線圈數(N1),則該變壓器為「升壓變壓器(stet-up transformer)」,反之若則為「降壓變壓器(step-down transformer)」。

                                                                                                   (1)

                                                                                                 (2)

1. 變壓器原理示意圖

2.     鐵心的選用

鐵心的設計也有不同的形式,鐵心材料的基本訴求就是,必須具備較大的「導磁性(relative permeability, Km)」,亦即較低的磁阻,常見的鐵心材料有經過熱處理退火的軟鐵(soft iron)以及矽鋼片等。這些材料通常都具有比空氣高出近萬倍的導磁能力,比起其他材質能夠產生更多的磁力線,舉例來說,假若一個空心線圈能產生一條磁力線,則表示同樣的線圈在矽鋼片上能產生約一萬條磁力線。

鐵心的結構依外觀可分類為「外鐵式」與「內鐵式」,如圖2所示,圖34說明目前常見的鐵心形式,其中圖3(d)為「EI型鐵心」,雖然EI型鐵心磁漏較高、效率低,但是經濟方便容易製造,是目前最普遍的鐵心形式。圖3(e)為「C型鐵心(cut core)」,圖4右者是由C型鐵心改良而來的「R-core鐵心」,其鐵心橫斷面為類似圓形,以方便繞製線圈,且圓形的截面,可避免一般方型鐵心截面磁力線容易集中於四個直角端而造成磁力線分布不均,可能造成的磁力局部飽和的問題。圖3(a)3(b)、與3(c)為「環形鐵心(toroidal core)」,採用環形鐵心的變壓器為目前電器特性最良好的變壓器,效率高、磁漏低且暫態反應快,但製作程序較繁瑣,成本也較高。

2. 內鐵式與外鐵式鐵心

3. 常見的鐵心形式

4. 目前主要的變壓器類型

鐵心結構的設計原則為節省成本與減少矽鋼片接縫。矽鋼片鐵心的加工皆以沖孔方式沖出窗口,而沖下之剩餘材料多半無法再加以利用,因此妥善設計以降低剩餘材料是製造成本的重要考量。此外前面提到矽鋼片的導磁性遠大於空氣,因此若鐵心結構中存在太多的接縫則會造成電磁轉換效能的下降。以最常見的EI型鐵心就有很多不同的接縫外型(圖5),除了減少接縫之外,各個矽鋼片的接縫相互錯開也可加強導磁性能(圖6)。

5. EI鐵心的不同接縫組裝方式

6. EI鐵心的交錯接縫排列

3.     變壓器的損耗

理論上當變壓器的轉換效率為100%時,一次線圈側輸入功率與二次線圈側輸出功率相同,但實際上由於激磁所產生的磁力線不可能全部都被侷限在鐵心中,再加上其他的內部損耗,轉換效率勢必下降。通常變壓器的損耗可分為兩類:「鐵損」與「銅損」,前者與負載無關,因此又稱為「無負載損」,後者則和負載的大小有關,稱為「負載損」,分別說明如下。

(1)   無負載損

由於線圈的內阻,一次線圈的激磁電流會造成內損(P=I2R),但是此電流極小,通常可忽略不計。再者,鐵心矽鋼片的材質不同,以及電壓頻率的變化,會造成「磁滯損(hysteresis loss)」,電壓頻率越高則磁滯損將會越大。降低磁滯效應的作法是目前廣為採用的約含3%矽的材料的矽鋼片鐵心,且另一方面,高導磁的材料通常其磁通飽和密度較低,但可藉由添加矽元來素提高磁通飽和密度。

另一個很重要的變壓器能量損耗是「渦流損(Eddy Current loss)」,由於鐵心本身也是導體,因當鐵心通過磁力線,此時會在鐵心內與磁力線垂直的切面上形成電流環路,如圖7(a)所示,渦流同樣會造成P=I2R的內部損耗,變成熱能。渦流的現象是無法完全解決的,但要降低渦流的影響,目前的作法是如圖7(b)的方式,鐵心採用相互絕緣的薄片堆疊而成(參考圖6),每片薄片僅約0.2mm0.35mm,矽鋼片的厚度越薄,則渦流越小,此外,上段敘述中所提及的添加矽元素於鐵心中,除了提高磁通飽和密度外,也可以降低鐵心導電性,亦即降低渦流。

7. 渦流與片狀堆疊鐵心

(2)   負載損

負載損包含「電阻損」與「漂游損」兩部份。電阻損起因於線圈本身的電阻,當負載端的電流越大,則電阻損就越大,繞組的電阻損佔變壓器銅損近50%,因此欲降低銅損主要的考量是增加導線的截面積以及減少線圈匝數。慎選較好的銅材質並使用線徑較粗的銅導線也可降低電阻,此外若採用導磁性極高的鐵心材質或採用無接縫捲鐵心,則可降低線圈匝數,達到降低銅損的目的。

漂游損主要是由於磁漏所致,所有的感應磁力線不可能都被侷限在鐵心中,因此磁漏會在繞組導體中產生渦流,形成損耗,降低漂游損的方式為加裝屏蔽遮罩,此舉除了可減低磁漏對線圈的影響外,也可以減低變壓器對外部電子零件或線路的干擾,屏蔽遮罩常見有銅與鋁為材質,其中以銅的屏蔽效果較佳,惟價格較貴。

變壓器的噪音是另一個常見的問題,即所謂「哼聲(hum)」。哼聲起因為交互的磁力變化於矽鋼片上產生些微的振動,此振動頻率與該交流電壓相同,若電源中含有諧波成分,則會造成噪音的放大。解決變壓器哼聲的幾個方法如下:

(1)   降低鐵心的磁通密度

降低鐵心的磁通密度可降低變壓器哼聲,但此作法得增加鐵心的截面積,使得變壓器重量大增,造成成本提高且應用性降低的困擾。

(2)   使用磁歪斜小的矽鋼片

使用高導磁且具高方向性的矽鋼片,如HI-B型或ZDKH型矽鋼片。

(3)   改善鐵心接縫與組裝

除了減少接縫之外,將鐵心的堆疊方式改以階梯搭接,也可以改善變壓器噪音。此外在鐵心組裝過程中,要注意勿使鐵心產生局部的應力存在,應使各部份的束縛力均勻化。

(4)   黏著劑真空含浸

此方式為小型變壓器的最佳降噪方法,將整個組裝後的變壓器放入凡立水(varnish)槽內真空含浸,對於R-core以及環形變壓器來說,此上可將噪音降至相當低。較嚴謹的作法是,在鐵心組裝完成後即進行一次真空含浸,接著在澇組完成後可再進行一次真空含浸。

參考資料

陳運雙,“變壓器理論與製作”,音響論壇雜誌,民國9011月。

Young, H. D., Freedman, R., Sandin, T. R., Ford, A. L., University Physics, 9th Edition, Addison Wesley, September 1995.

CUI Inc, www.cuu.com.