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陳運雙

變壓器原理及製作要領

1》變壓器有載時磁通狀況。
2》各類型鐵心結構圖。
3》C型鐵心的組裝方式
4》疊接型捲鐵心之組裝方式

壓器在輸配電系統中一直擔負著電力轉換與聯絡的重要工作,從發電廠的發電機組輸出到用戶端,必須藉由各種升壓與降壓變壓器,才能將電力順利送達用戶家中,當變壓器於系統運轉中發生故障時,供電系統必然中斷。納莉颱風過境風力不強,未造成輸配電線路的損壞,但仍導致全省十多萬用戶停電之苦,主要係低漥地區淹水,安裝於地下室的用戶變壓器遭受池魚之殃的緣故。日常生活當中許多電器用品,舉凡手提收錄音機、音響、無線電話機、電子遊樂器、電腦、影印機、傳真機等均需使用到變壓器。上述電器用品有些已經改成交換式電源,雖然看不到大型變壓器,但仍免不了需要採用小型高頻變壓器,可見變壓器與現代人的生活已密不可分,既使進入e世代也無法避免。

現代音響迷越來越重視電源問題,包括由總開關箱配置專用電源線、使用電源穩壓器、濾波器、購買發燒電源線等不遺餘力。各位應該知道,音響裝置最重要的能量來自於機器內的電源供給,而變壓器是提供能量的初始原料,能量是否充裕,質夠不夠好,變壓器擔負著關鍵性的角色。打開機器可以看到各色各樣五花八門的變壓器,有方、有圓、或立、或臥,甚至有些再加上華麗的外罩,嚴然一幅貴族模樣,到底那一種變壓器最符合您的需要,且讓我們一同進入變壓器的國度裡揭開它們神祕的面紗!


5》三種直流值(增加氣隙間距後)電感量的變化情形。
6》由各種形狀之矽鋼片組合成日字型變壓器。
7》E型及I型矽鋼片交錯疊積以加強導磁性能。
8》矽鋼片接縫的局部區域產生飽和現象。
9》電力用變壓器鐵心接縫。

電磁轉換原理

匈牙利之Ganz公司,於1885年製造完成歷史上首具實用性變壓器以來,迄今已有116年歷史。近數十年來,由於科技突飛猛進,各種電機、電子裝置應運而生,為提昇效率或針對各種裝置之特種目的而設計出各式各樣的變壓器,雖然外觀及結構上有各種變化,但其基本原理卻是一致的。


利用電、磁能量轉換的原理,將二組線圈繞於共同之鐵心磁路而成為變壓器。當其中一組線圈接於交流電源時,另一組線圈上因電磁感應作用而產生另一種電壓的交流電,二組線圈上之電壓,與所繞線圈匝數成正比例。連結於電源測的線圈通常稱為一次線圈,接於負載側的線圈則稱為二次線圈。若二次側線圈電壓高於一次側,稱為昇壓變壓器;反之,二次側電壓變低時,稱為降壓變壓器。


變壓器在無載時,即二次線圈成開路,則流過一次線圈的電流只有激磁電流,使磁束Φp通過鐵心,同時供給鐵心耗損。於二次線圈的兩端則得感應電壓Es,如圖一(a)所示。在二次線圈的兩端接上一負載,不論負載為電燈、電熱,或為電動機,都可以用電阻或電抗來代表。於是負載上便有電流通過,亦即二次線圈上已經有電流通過。因為線圈有電流通過,所以在鐵心上也有磁束Φs產生,如圖一(b)所示。因為變壓器有負載的關係,鐵心中的磁束不再是Φp,也不單獨是Φs,而是兩者之差,即將(a)及(b)兩圖重疊而得圖(c)。Φp與Φs並不是作算術上的加減,而是向量上的相減,因為考慮負載的功率因數關係。在一般情形,有負載時鐵心的磁束,數值上都較無載時為少。


一定電壓加於一線圈的兩端,其激磁電流與該線圈的電抗成反比(電抗愈大,激磁電流愈小),而線圈的電抗則視其中心的磁束多寡而定(成正比)。在一次線圈方面看來,有負載時,通過其內部的磁束減少,從而其電抗也減少,所以電流增加,增加的量,視乎磁束減少多少而定,亦即視乎二次側負載電流而定。所以有載時,一次側電流是激磁電流加上二次側負載所需電流(換算相同功率消耗所需電流)。


變壓器的一次側繞組與二次側繞組流通電流,稱之為「電路」;變壓器的鐵心流通磁束,稱之為「磁路」。電流在電路中流動的阻力,稱之為「電阻」;磁束在磁路中流動的阻力,稱之為「磁阻」。科學家選擇電阻比較低,「導電率」比較好的材料「銅」(退火過的軟銅)作為參考標準,訂定銅的導電率為100﹪;科學家選擇磁阻比較高,「導磁率」比較差的材料「空氣」作為參考標準,訂定空氣的導磁率為1。軟鐵(經過熱處理退火的鐵材)的導磁率約比空氣強幾千倍,而變壓器常用的矽鋼片,其導磁率則比空氣好約近萬倍。也就是說一定電壓加於一線圈的兩端所產生的「磁勢」,若在空心線圈中能產生一條之磁力線,就能在矽鋼片鐵心內產生一萬條之磁力線,這就是為什麼變壓器的線圈均要繞在矽鋼片的鐵心上。


一定電壓加於變壓器一次側線圈,其鐵心所能產生的磁力線(磁束)多寡,與該鐵心之「導磁率」、「截面積」與磁路的「長度」有關,導磁率良好,截面積愈大,長度愈短,則磁力線最多。


10》鐵心接縫處之磁通分布情形。
11》流通於鐵心的磁通會產生渦流。
12》磁滯曲線。
13》磁滯曲線量測電路。
14》同一材質不同頻率所顯現的磁滯曲線。

變壓器之鐵心結構與應用


變壓器之鐵心按結構不同,分為外鐵式與內鐵式兩種,如圖二所示,(A)為外鐵式(B)為內鐵式,(C)及(D)為一般外鐵式矽鋼片組合法。(C)共用三種不同尺寸之矽鋼片組合而成,使上下接縫相互錯開,以加強導磁性能與機械強度。由於每一層共用六塊矽剛片組合而成,故製作加工比較複雜,而且接縫也比較多,使鐵損(空載激磁電流)增大,因此目前單相變壓器較少採用。(D)的構造則比(C)簡單的多,因為只用二種尺寸的矽鋼片,且只有四個接縫,為一般5KVA以上單相變壓器常用之形式。(E)為(C)的簡化形式,稱為EI型鐵心,也有人稱它為日字型鐵心。因為只用二種尺寸的矽鋼片,且每層只有二塊矽鋼片組合而成,組合起來比較簡便,故為目前2KVA以下變壓器最常用之形式。由於E型矽鋼片必須一次沖成,沖下之窗口鐵片多數不能再利用,比較浪費材料,因而2KV以上之變壓器,大多採用(C)(D)(F)三種組合形式之鐵心。為了再降低變壓器之鐵心接縫及節省矽鋼片之組合工時,較現代化的變壓器已逐漸採用(F)所示之捲片式鐵心,一般稱為C型鐵心,或稱為Cut Core。


如前所述,空氣的磁阻比矽鋼片鐵心大將近一萬倍,若能將唯一的接縫也拿掉,則可進一步提昇變壓器的效率,因而發展出(H)與(I)無接縫之環型變壓器(Toroidal Transfmor)。(H)為捲片式環型鐵心,可採用一般「方向性」(Grain-oriented或Anisotropic)鐵心,因其磁通永遠沿壓延方向流通,但(I)是由墊圈狀的鐵片堆疊而成,故此一結構之環型鐵心只適用「無方向性」(Nonoriented或Isotropic)鐵心。由於Isotropic鐵心材料價格比較貴,而且退火熱處理的費用較高,因而由墊圈狀堆疊而成的環型鐵心在市面流通不多。環型變壓器為目前電氣特性最佳之產品,具有高效率、低漏磁通、暫態反應佳等優點,故廣為儀器、高級音響等所採用。環型變壓器也有一些先天上的缺陷,例如:製作成本比較高、繞線的手續較繁雜、整個鐵心被銅線繞組包覆在內,以致無法藉由鐵心將積熱傳導出去、整個鐵心的重量落於銅線繞組上,而一般變壓器係由外露的鐵心提供支撐,故無法應用於較大型的變壓器。


為了彌補上述缺點,於是將(F)圖的C型鐵心予以改良成為R-Core變壓器。C型鐵心於捲模上捲繞完成之後再切開成兩半,主要目的為方便組裝一次與二次側繞組(組裝方法如圖三所示),但因而多出兩道接縫,使電磁轉換的效率降低許多。為了提昇效率與方便繞線作業,R-Core變壓器將鐵心的斷面積設計成圓形,這樣就可以利用圖四所示方法進行繞線。圖中所示其捲線軸兩端帶有齒輪,該捲線軸係由分裂的兩半組合而成,捲線機設有相同齒距的齒輪,用以驅動捲線軸兩端的齒輪,使該捲線軸以圓型鐵心為轉軸轉動,達成繞線的目的(組裝方式詳如圖四(a)所示)。


R-Core變壓器之鐵心斷面積為圓形,矽鋼帶必須以展開法分條裁切成特殊形狀,才能捲繞成圓型鐵心。即內圈起繞點最窄,然後逐層加寬,中間最寬,再逐漸縮小,至最外層則縮到最小。此種展開的曲線必須計算得非常精準,才能達成圓滑的真圓度,因製作價格昂貴,並不適用於大型電力變壓器之製作,故改採用圖四(b)的疊接型捲鐵心。該鐵心本身只有一處切斷,裝配時由切斷部位做LAP接合。比C型鐵心少一處切斷面,可使鐵損不致太大。由於目前對疊接(Lap-joint)之技術以能克服,本形式具有經濟與實用之效益,最適合量產。目前美國G.E公司與國內大同公司均採用本型式。


一般環型變壓器鐵心之斷面積為方形或長方形,磁力線易集中於四個直角尖端,導致磁力線分布不均勻,尤其是內圈磁通密度最高,該處最容易發生磁飽和現象。若能將環型變壓器鐵心改良成像R-Core一樣的圓形鐵心,則環型變壓器的特性將進一步再提昇,成為最優異的變壓器,不過生產價格也將水漲船高,因而目前市面難得一見這種改良型環型變壓器。


15》方向性矽鋼片語非晶質合金的磁化曲線。
16》三種變壓器比較,環型變壓器之漏磁通最小。
17》第一輪繞完,外徑上還很空,但內徑上已填滿兩層銅線。

氣隙的作用與影響

鐵心接縫對於電磁轉換的應用有許多不利之處,變壓器的設計製造者想盡辦法降低鐵心的接縫數量,甚至設計成無接縫之環型鐵心及R-Core變壓器,為何又要切割成圖二(G)之C型鐵心?我們從另一個角度來看,鐵心接縫所形成的氣隙(Air Gap)其實並非全然無用,在某些場合必須故意造成一定的氣隙才能改善其電感係數,例如:電源濾波用扼流圈、真空管單端放大器所使用的輸出變壓器等。此種電路內同時含有交流與直流成分,因直流效應之緣故,很容易讓鐵心到達磁通密度飽和點,同時也會降低交流的導磁率。這種情況可藉由增加鐵心的氣隙來改善其導磁率,適當的調整氣隙間距,可以獲得最佳的電感量,並兼顧到導磁率,所以C型鐵心仍有其存在的價值。圖五顯示一含鐵心之線圈,在相同交流值(20mA AC)不同直流值(0,50mA及100mA DC)偏壓下,氣隙間距改變,電感量的變化情形。


空氣的磁阻比矽鋼片鐵心大幾千倍,甚至近萬倍,因此每一微小的接縫均必須小心謹慎的處理。拿最常使用的EI(日字型)變壓器來講,為了降低氣隙的影響,將矽鋼片設計成圖六所示各種幾何形狀。各層疊積組合的方式如圖七所示,使上下層接縫相互錯開,即E型鐵片與I型鐵片交錯疊積,以加強導磁性能及機械強度。圖八所示為各積層鐵片接縫處之磁通分佈情形,在接縫的局部區域產生磁飽和現象,並蔓延到鄰近的鐵片。


為了提昇鐵心的導磁率,大型電力用變壓器大都將鐵心的接縫設計成圖九所示的(a)V缺口型,及(b)V缺口階梯搭接型鐵心。V缺口(V-Notch)構造可改善鐵心中央腳與軛之接縫狀況,能使磁通更順暢流通;V缺口階梯搭接(V-Notch Step-Lap),其階梯搭接(Step-Lap)之構造,使磁通在分散之接縫處較順暢的跨越矽鋼片。V缺口型及V缺口階梯搭接型鐵心接縫之磁通分佈情形,詳如圖十(a)及(b)所示。

方向性矽鋼片鐵心材料

變壓器的鐵心是用來降低磁路之磁阻,使感應磁通所需要的電流盡量減少。變壓器之鐵心不能使用整塊的鐵塊,因為鐵心本身為電的導體,受到AC正負交變的感應磁場時,磁通量亦跟隨著變化而感應電壓,將產生交變的短路電流,導致鐵心產生循環電流,引起很高的損耗,稱為渦流(Eddy Current)。以相互絕緣的薄片疊積成變壓器鐵心可降低損失。圖十一顯示流通於鐵心的磁通會產生渦流現象,剖面積大者產生的渦流大,其耗損也大,如(a)圖所示;採用含絕緣膜的薄板時,渦流可大大的減少,如(b)圖所示。
矽鋼片的厚度愈薄,其渦流愈小,但考慮工作性,變壓器大都採用0.20~0.35mm板厚的矽鋼片。大部分的薄片是冷軋,並經特殊退火處理,使鐵心結晶方向一致,在壓延方向能獲得高導磁及低磁滯之特性。大部分的薄片選擇某種方法做化學表面處理,作為各片間之絕緣。大部分的薄片是以約3﹪矽及約97﹪之鐵材料所組成,加入矽的成份具有下列功效:

■可以降低材料的矯頑磁性,用來降低磁滯損失(Hystersis Loss)。
■一般來講,具有高導磁率的材料,其飽和磁通密度均比較低,但添加適量的矽元素之後,可以使鐵材保有高導磁率,又具有較高的飽和磁通密度特性。
■矽為不良導體,因此亦可降低鐵材的導電性,使渦流損失降低。
■矽是一種非常穩定的元素,因此加入矽可以使鐵心長時間運轉仍能保持穩定的特性。

除了空氣介質外,其他導磁介質皆有殘磁特性,即當磁通形成時,若激磁電流已消失,磁通不會降為零。一般的交流電源當中,加於鐵片的磁場強度是週期的變化,其磁通密度也跟隨著起變化,產生如圖十二的環狀磁化曲線,稱為磁滯曲線。此時與環內面積相同比例的能量將轉變成熱能消失,稱為磁滯損。磁滯曲線愈寬,則保磁力愈佳,適合做成永久磁鐵或記錄器(如磁帶與磁碟),磁滯曲線較窄者則是用於高頻工作,如高頻變壓器。

欲了解材料的動態磁滯曲線(Dynamic Hysteresis Loop)可參考圖十三的測試方法進行測試。Np為一次側繞組,Ns為二次側繞組,一次側繞組迴路上裝置有電阻R1及校正用電流表I,R1所產生的壓降,作為示波器水平放大偏向用;二次側繞組迴路上裝置有RC積分電路及電壓表(V),電容器C兩端的壓降送至示波器的垂直偏向輸入端。圖十四所示為厚度0.02吋(0.5mm)的Mumetal材料,分別以60,400及1000Hz正弦波所測得的動態磁滯曲線。由該圖可以看出,同一材料在不同頻率下的磁滯損失現象,頻率愈高磁滯損失愈大,亦即頻率愈高鐵損愈大。


過去大多採用一般方向性矽鋼片疊積成變壓器鐵心,現在逐漸改用高方向性之HI-B矽鋼片,甚至在此等矽鋼帶表面加以雷射光束刮掃處理,縮小磁區,進一步降低方向性矽鋼帶的鐵損,此種HI-B Laser商品,廠家命名為ZDKH。例如新日本製鐵所推出的產品23ZDKH90,27ZDKH95等,前述材料已實用於變壓器製品。使用高方向性矽鋼片,設計者可以取較高的磁通密度值,因此鐵心的截面積會較小,繞組線圈直徑相對變小,可製造出小型輕量化,低鐵損、低銅損的變壓器。

非晶質鐵心材料

近幾年來,電力不足成為全球之警訊,基於電力開發困難的限制,大幅降低變壓器之損耗以節約電力,成為業界多年來努力的目標。因而美國與日本等先進國家,在政府資助下投入龐大經費,經過不斷的開發與研究,已經成功地發展出一種電力損耗及低之低損耗型變壓器。此新型變壓器稱為「非晶質鐵心變壓器」(Amorphous Metal Transformer),係使用非晶質合金(Amorphous Alloy)做為變壓器鐵心之材料,以代替傳統的矽鋼片鐵心材料。


所謂非晶質合金,指的是類似玻璃或聚合物等之非結晶合金材料,其原子排列如同玻璃或塑膠一樣呈現不規則形狀。就金屬材料而言,依傳統之製造方法,其原子排列在固態下均呈現規則之結晶構造。若將熔融之金屬材料以每秒100萬℃之超高速冷卻,使金屬仍保持液態時之原子排列而被固化,則其原子排列成不規則之結晶形狀,形成非晶質金屬,突破以往金屬結晶之範疇。若用非晶質鐵心材料替代方向性矽鋼片鐵心製作變壓器,其鐵損可減少至矽鋼片鐵心的1/3~1/4。假如台電目前使用中之配電變壓器,全面改用非晶質鐵心變壓器,估計每年可節省電力約為7億度,相當於石門水庫發電廠的裝置容量。茲將非晶質合金材料的特點綜合條列如下:

■非晶質合金硬度很高,大約為矽鋼片之4~5倍,故分條、剪切均極不容易。
■材料本身厚度極薄,約為0.03mm,僅為方向性矽鋼片厚度之1/10,材料表面比較粗糙,以致占積率低,因而使變壓器鐵心變大。
■非晶質合金鐵心的成份為鐵約80%,硼20%;因 此其飽和磁通密度與純鐵比較降了20﹪。
■非晶質材料經加熱會再變為結晶材料,其結晶溫度大約在500℃左右。
■鐵損極低,約為方向性鐵心矽鋼片之25%左右。
■飽和磁通密度較方向性鐵心矽鋼片低。(矽鋼片的飽和磁通密度為2.0tesla,非晶質材料則為1.58tesla)
■鐵心必須在激磁狀態(10Oe磁場強度)下退火,才能充分發揮其低損失及低激磁電力的特性。退火溫度不可高於400℃,以免發生結晶現象。
■非晶質材料與方向性矽鋼片的特性比較,詳如表一所示。
■非晶質材料與方向性矽鋼片的磁滯曲線,詳如圖十五所示。

變壓器損耗的分類

任何電機機器的輸入都不會是100%的輸出,一定會有所損耗,變壓器也不例外。一般習慣上將變壓器的損耗分為兩大類,即「鐵損」與「銅損」。因為鐵損與負載的大小無關,故又稱為「無負載損」;而銅損的大小則隨負載的大小成正比例,故又稱為「負載損」。茲以條列方式分述如下:

■無負載損(鐵損,隨頻率、磁通密度而變化)
無負載時銅損:一次側線圈承受激磁電流,因線圈內阻所造成之損失(電阻損=I2R)。由於激磁電流非常小,約1~2﹪,可忽略不計。
磁滯損:磁滯損失與所使用鐵心矽鋼片的的材質有關。與頻率的變化有關,頻率增高則磁滯損失將增加。
窩流損:窩流損失與所使用鐵心矽鋼片的的材質、厚度、矽鋼片表面絕緣有關。

■負載損(銅損,隨負載電流、溫度而變化)
電阻損:包括一次線圈與二次側線圈的電阻損,依負載電流的大小而變化。
漂游損:由變壓器的漏磁通所引起。例如(a)一次與二次側繞組產生漏磁,致使繞組導體中產生窩流損。(b)漏磁經過金屬物,如鐵心夾件、變壓器外罩等部位所產生的損耗。

降低鐵損的方法

欲設計一個高效率、低損耗的變壓器,必須先由鐵心著手。降低鐵心的損耗可以縮小變壓器的體積,其外圍的繞組、外殼必然隨之縮小,因而銅損也將大幅降低。鐵心材料經過加工過後殘留的應力,破壞原來原子結晶的排列方式,因而需要給予適當熱處理,以恢復原有特性,茲綜合分述如下:

■選用低損耗鐵心材料:鐵心材料特性的改良過程依序為(1)方向性矽鋼片(2)高導磁(HI-B)方向性矽鋼片(3)高導磁雷射處理(HS-LS)方向性矽鋼片(4)非晶質合金(Amorphous Alloy)鐵心。設計者可依實際需要選用最適合的鐵心材料來製作變壓器。

■選用磁阻小的鐵心結構:矽鋼片在剪切疊積成鐵心裝配後,其損耗會比矽鋼片原材料損耗大,其增加的比例因鐵心構造方式而異。原則上接縫的數量愈少磁阻愈低,鐵損愈小。只考慮品質而不計較成本的話,例如高級音響、儀器等,建議採用無接縫的R-Core或環型捲鐵心,甚至採用圓形截面積的環型鐵心,可以達成最低鐵損。若無法避免接縫時,則請考慮採用圖四所示,只有一條接縫的「疊接型捲鐵心」;大型變壓器可考慮使用圖九所示「V缺口階梯搭接型鐵心」。

■退火熱處理:鋼鐵廠以冷軋展延的方式來加工「方向性鐵心矽鋼片」,在軋薄的關鍵過程中,必須謹慎的配合熱處理工作,以確保合金材料的磁化特性。依材質的成分,品質管制熱處理的溫度範圍為900~1200℃,材料必須放在充滿惰性氣體(Inert Gas)或氫氣的低碳鋼熱處理爐內處理。變壓器生產工廠於沖製或捲製矽鋼片完成之後,加工過程將殘留不少應力,故必須經由800~875℃的退火熱處理,同樣必須放在氫氣爐內處理。由於氫氣爐內氫氣的含量(純度97%以上)不易控制,若控制不當,可能引起爆炸的工安事故,目前大都已改為真空爐。有些矽鋼片供應商也提供已經退火過的成型矽鋼片,但必須事先確認是依據上述方法處理的,才能確保變壓器的品質。若基於經濟因素考量,變壓器的品質要求也不是那麼高,則退火熱處理的溫度可以降到700~750℃,退火溫度維持在這個範圍,就可達到方向性矽鋼片應具備的大部分性能,雖然無法得到最佳特性,但可省下一筆可觀的費用。另有些場合(例如使用頻率比較高時)需要使用到非常薄的矽鋼片,此種矽鋼片必須經由特殊的加工處理過程才能達成,價格非常昂貴,因此建議改採用鎳-鐵合金(Nickel-Iron Alloy)材料,可以達到相同目的,但成本卻比較低。變壓器鐵心經退火熱處理完成後,千萬不能再受到外力撞擊或掉落地面,甚至繞線工作也要非常小心,以免鐵心變形使特性劣化,因而前功盡棄,不可不慎!

降低銅損的方法

繞組的電阻損占變壓器銅損的50%以上,故要降低銅損應考慮下列方法:

■增加導線的截面積:除了慎選材料純度較高的銅線外,宜酌量加大導線的截面積以降低導線直流電阻。

■減少線圈匝數:選用導磁係數比較高的鐵心材料或採用無接縫捲鐵心等均可降低繞組線圈匝數,達到降低銅損的目的。

■降低漂游損:導體與漏磁通的交鏈,會在導體內部產生窩流損,故要慎選漏磁較低的鐵心結構。漏磁也會流竄到線圈以外的地方,對於夾件及外殼等金屬配件產生窩流損,宜將內部受到磁漏影響較大的配件材質改為非磁性材料,以降低損耗。可以利用安裝於線圈與外殼間的「外殼遮蔽板」來阻隔磁漏。該外殼遮蔽板的種類與形狀很多,以材質而言,可分為銅板、鋁板及矽鋼片等三種,經驗顯示,銅板的阻隔效果最好,但價格較高,通常在平坦的外殼側板上採用矽鋼片,銅板或鋁板則多裝設於需折彎的轉角或角落處。

變壓器的噪音與抑制方法

變壓器噪音的來源主要發生自鐵心,鐵心噪音是由矽鋼片之磁歪及磁性吸引力所產生之鐵心震動。磁歪的大小與矽鋼片材質/鐵心緊密度有關,鐵心磁通密度愈高,矽鋼片之磁歪也愈大。變壓器鐵心的疊積接縫狀況會影響磁通之流通,使鐵心產生不同程度大小的噪音。交流電源若含有諧波成份,將導致噪音擴大,鐵心噪音是電源頻率之2倍頻率為基本波,以及含有其整數倍之各種頻率之噪音。另繞組導體間或線圈間之電磁力,也會引起震動導致噪音。以下提供幾個抑制噪音的對策:

■降低鐵心之磁通密度:降低鐵心之磁通密度雖然可降低變壓器噪音,但因而需增加鐵心的截面積,導致變壓器重量增加而抵銷降噪音的效果,也使變壓器成本增加,故降低鐵心之磁通密度以80%降幅為限。

■使用磁歪小之矽鋼片:選用高導磁(HI-B)方向性矽鋼片,噪音可降低約2∼4dB;若採用經雷射處理之高方向性(ZDKH)矽鋼片,則能更大幅度降低噪音。

■使鐵心束縛力均勻化:在組裝鐵心過程中,勿使鐵心承受到局部性應力而發生特性劣化,使用束縛帶束緊鐵心時,宜使各部位的束縛力均勻化。

■改善鐵心接縫與組裝方式:盡量減少鐵心的接縫並縮減接縫間細;將鐵心疊積方式改用階梯搭接,對改善變壓器噪音有很大的效果。

■以黏著劑真空含浸:
以黏著劑真空含浸:小型變壓器最佳降噪音方法為,整個變壓器組裝完成之後放入凡立水(Varnish)槽內真空含浸。R-Core及環型變壓器若依製程嚴加品管,則噪音可以降至非常低,但有可能於捲製過程中張力調整不當,或熱處理不當,導致矽鋼片鬆弛而增加噪音。欲獲得超靜音產品,除加工過程必須嚴加管控外,應於鐵心捲製完成後即單獨將鐵心放入凡立水槽內真空含浸,繞組完成後若有必要可再度以凡立水真空含浸一次,如此可以確保萬無一失。
常用變壓器特性比較


圖十六所示環型、EI及Cut Core變壓器的漏磁通比較圖。把Cut Core兩道接縫之漏磁通拿掉之後就視同R-Core的漏磁通。由該圖可看出環型變壓器的漏磁通最小,因為環型變壓器的鐵心被繞組完全包圍住,使漏磁降至最低。看起來似乎環型變壓器的性能優於R-Core變壓器,其實也不盡然。請各位再看圖十七,環型變壓器的銅線繞組分布情形,因其外徑比內徑大很多,當繞在外徑上的銅線平均分配繞完一周,而內徑上必須填滿兩層才能容得下繞組的銅線。由此可知,內徑上單位面積所繞的線圈密度比外徑高,因而磁通密度比較大,使內徑材料的導磁率變低,易導致內徑提前飽和,故設計環型變壓器時除了考慮鐵心的截面積外,必須兼顧內徑不致超過材料的最大磁通密度,此乃環型變壓器與傳統變壓器最大的不同點。


環型變壓器的繞線作業手續比較繁雜,若機具調整設定不當,容易影響產品的品質,導致特性不夠穩定,有時也會因而傷及漆包線的絕緣層,增加產品的不良率,繞組的費用幾乎占整個變壓器成本的一半。R-Core變壓器的技術及成本主要偏重於鐵心的製作,繞線作業則簡單得多。兩者的鐵心都必須經過嚴謹的退火熱處理過程,最終成果與熱處理的品質有絕對關係。


EI變壓器雖然漏磁通高、效率較低,但具有經濟實惠、方便少量多樣訂購,而且交貨迅速多項優點。EI變壓器的歷史悠久,設計、製造的技術均已非常純熟,加上鐵心材質不斷的改進,使特性也跟著提昇,品質也相當穩定可靠,因此最適用於大眾化的一般電機、電子產品,可以說是變壓器界的長青樹。

變壓器的測試項目

變壓器於製造完成之後,必須進行各種不同的測試,以確保能符合原設計規範。測試項目包括:無負載激磁電流、電壓調整率、溫昇、漏磁通、噪音及絕緣試驗等,前五項屬於變壓器的特性驗證,最後一項則屬於設備的安全驗證。


絕緣試驗主要包括:衝擊試驗、交流耐壓試驗及感應電壓試驗等。衝擊試驗的目的在於驗證變壓器是否能承受雷擊或開關啟閉等原因所引起之異常電壓;交流耐壓試驗的目的在於驗證變壓器繞組對繞組,或繞組對地間之絕緣是否良好;感應電壓試驗係施加二倍之額定電壓於繞組上,確認其匝間、層間及繞組間之絕緣是否良好。試驗電壓提高為二倍,恐因而造成鐵心過飽和之虞,故必須將試驗頻率提高至原來額定頻率兩倍以上,才能使磁通密度不致超過原設計值。上述絕緣試驗因設計所採用的安全標準、絕緣等級等不同,其試驗程序與接受標準各有不同,本文不擬做進一步討論。


對於音響迷來講,大家比較關切的是變壓器的特性驗證。無負載激磁電流之測試,通常以額定交流電壓加於變壓器之一次側,並於一次側繞組串聯一只電流計,測量空載激磁所需電流。一般110V 1KVA之EI變壓器,其無負載激磁電流約為滿載電流的5-10%(0.45A~0.9A);而110V 1KVA之環型變壓器,其無負載激磁電流則約僅為滿載電流的0.5~1%(45mA~90mA)。筆者現在所使用相同容量之變壓器,係依筆者的設計要求而製造者,實際測量無負載激磁電流僅約20mA左右。所謂電壓調整率(Voltage Regulation)乃指滿載電壓與無載電壓相差之值,除以滿載電壓,即電壓調整率=【(無載電壓-滿載電壓)÷滿載電壓】×100%。一般110V 1KVA之EI變壓器,其電壓調整率約為5-10%;而相同容量之環型變壓器,其電壓調整率約為2-5%。依筆者的設計要求而製造者,實際測量電壓調整率,大約都在2﹪以內。假設前兩項特性測試結果都非常好,表示能源轉換效率很高,故其他有關溫昇、漏磁通及噪音都會很低。


表格》工研院25kVA非晶質變壓器特性比較表。

結語

鍾情於EI變壓器的DIY族,認為EI變壓器的聲音最好聽;有些產品採用R-Core變壓器,因而宣稱R-Core是目前市面上最好的變壓器。筆者認為R-Core變壓器與環型變壓器的特性相當,但環型變壓器最實用,因為環型變壓器的暫態好、體積小、漏磁小,裝在擁擠的機箱內也不會造成太大的電磁干擾,造價還算合理,此由市面越來越多中高價位的音響及電器產品都競相採用得到證實。


電源受到諧波等雜訊干擾的區域,採用EI變壓器肯定可以降低干擾作用,因為EI鐵心的氣隙具有吸收緩衝高頻雜訊的作用。當電子線路對外來的雜訊免疫力不夠時,可以考慮採用EI變壓器來達成一定的抑制效果。
環型變壓器雖然仍有一些缺點,但設計者若能注意下列幾點,應當可以獲得充分改善:

■繞組線圈盡量平均分布於鐵心的360度周圍,甚至引線的部位也不能跳躍過去,否則漏磁通容易集中於某個部位。
■將鐵心的截面積設計成正方形,若能製成圓形截面積鐵心則效果最佳。
■鐵心的外徑(OD)與內徑(ID)相差不要太大,才能使內外徑的磁通密度差異不致太大。
■適度加大鐵心的截面積,確保在滿載狀況下內圈不致於提前飽和。

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