R型铁心变压器潜力探讨与若干问题的分析

1 R型铁心变压器目前现状

　　R型铁心变压器在国内发展已近20个年头，除了音响、仪表等设备利用其漏磁小、振动低、噪音小、高度矮外，并未在电源界引起多大的响应。似乎普遍认为（1）其尺寸重量体积并不小。（2）需要专用的绕线机。（3）与CD型铁心变压器相比品种不够多。（4）安装不够牢靠；引出线方式不令人满意；不好端封，防潮性能难以保证。（5）最致命的缺点是合闸电流大，易烧保险丝。近年来R型铁心变压器的价格已几乎与CD型铁心变压器相近，但因上述原因，似乎R型铁心变压器还是难有大的发展。

　　2 R型铁心变压器的造型优势

　　人们都说R型铁心变压器省铜，实际上它有一个理论值；"目前"CD型铁心变压器可以说从电、磁性能和工艺方面是最好的，因而我们就选CD型铁心变压器作为比较对象；假定铁心截面都为1个单位，钢带厚度、涂层和占空系数均相同，如图1：

　　R型铁心变压器铁心截面积：

　　其中D为铁心柱直径，则

　　比较时对R型铁心不应扬长避短，还应考虑R型铁心截面的真圆度（见《国际电子变压器》2001.11"真圆度与R型铁心变压器有效截面的工程计算"），26种（已不算少）铁心的真圆度为0.946-0.981，那么

　　CD型铁心变压器铁心截面积：

　　S=a×b=0.707×1.414=1

　　其中：a为CD型铁心柱宽度

　　b为CD型铁心柱厚度

　　我们再假定铁心的窗孔均为1.2a，窗孔高度相同，都是双线包，窗孔绕满，绕组数据相同，则每一匝的平均周长就代表整个绕组长度的比例。

　　R型铁心变压器绕组平均周长为： （1.1945+0.707×0.6）=5.0827

　　CD型铁心变压器绕组平均周长为：

　　若以CD型铁心变压器为基数，将两者周长相比较：

　　在10.88-11.12%之间

　　3 R型铁心变压器的磁性能优势

　　变压器设计要考虑许多因素，如从经济角度需考虑价格、体积、重量，从技术指标角度需考虑电压调整率、温升、效率以及各项技术指标等。而在多数情况下，我们共同考虑的温升不要超过多少度，而温升又决定铁损和铜损，R型铁心为卷绕而成，没有气隙，在Pc/kg值相同，均为1W/kg的条件下，与CD型铁心相比，磁通密度B高60%（50Hz、现有R型铁心材质为Z8H-0.2，CD型铁心材质为DQ151-0.35）-10%（400Hz、参考环型铁心数据），我们暂且按10%，这意味着匝数不可减少近10%，或者说又可省铜近10%，或在铜损等于铁损的条件下整个变压器可节能近5%；这还意味着对体积、重量、电压调整率等一连串方面都有好处，这将是一种良性循环。如果以B值相同，均为1.7T（特拉斯）作为比较条件，Pc/kg值可减少63%（50Hz）-21%（400Hz），这意味变压器铁心温升很低，也有助线圈散热，在400Hz的情况下，更有利于铁心B值取高，同样也将是一种良性循环。当然有人对以上诸多好处都不感兴趣，而认为在现有情况下合闸时就易烧保险丝，怎么能再提高磁通密度B值呢？对此只能另当别论。

　　4 合闸电流、铁心间隙及其保险丝的取值

　　4.1 Br是合闸电流大的根源

　　凡是有铁心的元件，包括电动机、变压器，合闸时都会出现大电流，经验告诉我们电动机的启动电流会达到额定电流的5-10倍。

　　由于铁磁性物质的磁滞效应，关断电源后铁心中存在剩磁Br，Br参数在工作于B-H曲线单一相限的脉冲变压器或开关电源变压器设计时直接关系到增量磁通密度△B的取值，不可忽视；而在工频、中频、高频变压器中因为其工作于正弦波、无直流磁化都未予考虑，国内外标准对Br值都没有提出具体要求。

　　鉴于电源变压器设计时需追求体积小、重量轻和经济性等综合指标，虽然CD型铁心在1.0-1.3T以上已逐渐进入饱和，R型铁心在较高B值进入饱和，但在50Hz的情况下其B值都已取到了1.6T-1.7T，空载时已达到1.7-1.8T，若电网波动+10%，B值已高达1.98T，此时铁心处于极度饮和状态，磁化电流会很大。

　　合闸瞬间由于交流电压幅值的不确定性和存在剩磁（即使不考虑电网波动），多数情况都会因为瞬间的阶跃电压迫使变压器的铁心处于极度饱和状态（B-H曲线的斜率已趋向于0），严重时甚至超过取向硅钢磁通密度的理论值2.03T，此时只有空心电感和内阻在起作用，有数据记载此时的磁化电流将可能达到正常磁化电流的100倍。因此变压器的合闸电流当然会很大。

　　4.2 铁心用于工频变压器弊多利少

　　早期涉及R型铁心变压器的设计人员一开始就发现其易烧保险丝，回过头来又觉得还是有切口的CD型铁心变压器比较好。实际上，根据电子工业部标准103-77，在其对单相变压器铁心尺寸精度参数规定中可以查到28种CD型铁心端面间的间隙由小到大分为三档，分别为不得超过0.03、0.05和0.075毫米。“不得超过”意味着间隙越小越好，还意味着最好不切开，但迫于绕制线圈不便，切开铁心也是不得已而为之。

　　　　退一步讲R型铁心变压器即使因为无间隙、Br值较高合闸电流较大，好在这个大电流持续时间很短，在50周情况下，最多持续1/4-1/2周期，也就是5-10毫秒，一般情况下，5-10毫秒后铁心便进入稳定状态，因为电子变压器体积较小，分布参数也很小，不可能与电源频率发生谐振，即使发生振荡因为有内阻存在便会在几个周波内被阻尼，能量靠积累才会发热，实践证明，即便是数毫秒之内的20-25倍的负载短路电流，甚至200微秒之内的上百倍额定电流，都未出现过绕组绝缘和铜线本身受伤害的先例。而CD型铁心变压器的合闸电流即使小，其产生的负作用是将铁心的B值最少往下拉10%，这时要保证变压器初级的感应电势不变就需要相应增加匝数，由此我们可以看出若以增加气隙来减少合闸电流必须以牺牲磁通密度B和增加匝数以及增加正常工作时的磁化电流为代价（一些实例看到的由原来烧保险丝变成后来的不烧了，有"可能"是因为匝数增加10%，内阻也将增加10%，空心电感将增加20%，使原来处于临界的保险丝容量无形中增加了10-20%以上的保险）。