R型鐵心變壓器潛力探討與若干問題的分析

1 R型鐵心變壓器目前現狀

　　R型鐵心變壓器在國內發展已近20個年頭，除了音響、儀表等設備利用其漏磁小、振動低、噪音小、高度矮外，并未在電源界引起多大的響應。似乎普遍認為（1）其尺寸重量體積并不小。（2）需要專用的繞線機。（3）與CD型鐵心變壓器相比品種不夠多。（4）安裝不夠牢靠；引出線方式不令人滿意；不好端封，防潮性能難以保證。（5）最致命的缺點是合閘電流大，易燒保險絲。近年來R型鐵心變壓器的價格已幾乎與CD型鐵心變壓器相近，但因上述原因，似乎R型鐵心變壓器還是難有大的發展。

　　2 R型鐵心變壓器的造型優勢

　　人們都說R型鐵心變壓器省銅，實際上它有一個理論值；"目前"CD型鐵心變壓器可以說從電、磁性能和工藝方面是最好的，因而我們就選CD型鐵心變壓器作為比較對象；假定鐵心截面都為1個單位，鋼帶厚度、涂層和占空系數均相同，如圖1：

　　R型鐵心變壓器鐵心截面積：

　　其中D為鐵心柱直徑，則

　　比較時對R型鐵心不應揚長避短，還應考慮R型鐵心截面的真圓度（見《國際電子變壓器》2001.11"真圓度與R型鐵心變壓器有效截面的工程計算"），26種（已不算少）鐵心的真圓度為0.946-0.981，那么

　　CD型鐵心變壓器鐵心截面積：

　　S=a×b=0.707×1.414=1

　　其中：a為CD型鐵心柱寬度

　　b為CD型鐵心柱厚度

　　我們再假定鐵心的窗孔均為1.2a，窗孔高度相同，都是雙線包，窗孔繞滿，繞組數據相同，則每一匝的平均周長就代表整個繞組長度的比例。

　　R型鐵心變壓器繞組平均周長為： （1.1945+0.707×0.6）=5.0827

　　CD型鐵心變壓器繞組平均周長為：

　　若以CD型鐵心變壓器為基數，將兩者周長相比較：

　　在10.88-11.12%之間

　　3 R型鐵心變壓器的磁性能優勢

　　變壓器設計要考慮許多因素，如從經濟角度需考慮價格、體積、重量，從技術指標角度需考慮電壓調整率、溫升、效率以及各項技術指標等。而在多數情況下，我們共同考慮的溫升不要超過多少度，而溫升又決定鐵損和銅損，R型鐵心為卷繞而成，沒有氣隙，在Pc/kg值相同，均為1W/kg的條件下，與CD型鐵心相比，磁通密度B高60%（50Hz、現有R型鐵心材質為Z8H-0.2，CD型鐵心材質為DQ151-0.35）-10%（400Hz、參考環型鐵心數據），我們暫且按10%，這意味著匝數不可減少近10%，或者說又可省銅近10%，或在銅損等于鐵損的條件下整個變壓器可節能近5%；這還意味著對體積、重量、電壓調整率等一連串方面都有好處，這將是一種良性循環。如果以B值相同，均為1.7T（特拉斯）作為比較條件，Pc/kg值可減少63%（50Hz）-21%（400Hz），這意味變壓器鐵心溫升很低，也有助線圈散熱，在400Hz的情況下，更有利于鐵心B值取高，同樣也將是一種良性循環。當然有人對以上諸多好處都不感興趣，而認為在現有情況下合閘時就易燒保險絲，怎么能再提高磁通密度B值呢？對此只能另當別論。

　　4 合閘電流、鐵心間隙及其保險絲的取值

　　4.1 Br是合閘電流大的根源

　　凡是有鐵心的元件，包括電動機、變壓器，合閘時都會出現大電流，經驗告訴我們電動機的啟動電流會達到額定電流的5-10倍。

　　由于鐵磁性物質的磁滯效應，關斷電源后鐵心中存在剩磁Br，Br參數在工作于B-H曲線單一相限的脈沖變壓器或開關電源變壓器設計時直接關系到增量磁通密度△B的取值，不可忽視；而在工頻、中頻、高頻變壓器中因為其工作于正弦波、無直流磁化都未予考慮，國內外標準對Br值都沒有提出具體要求。

　　鑒于電源變壓器設計時需追求體積小、重量輕和經濟性等綜合指標，雖然CD型鐵心在1.0-1.3T以上已逐漸進入飽和，R型鐵心在較高B值進入飽和，但在50Hz的情況下其B值都已取到了1.6T-1.7T，空載時已達到1.7-1.8T，若電網波動+10%，B值已高達1.98T，此時鐵心處于極度飲和狀態，磁化電流會很大。

　　合閘瞬間由于交流電壓幅值的不確定性和存在剩磁（即使不考慮電網波動），多數情況都會因為瞬間的階躍電壓迫使變壓器的鐵心處于極度飽和狀態（B-H曲線的斜率已趨向于0），嚴重時甚至超過取向硅鋼磁通密度的理論值2.03T，此時只有空心電感和內阻在起作用，有數據記載此時的磁化電流將可能達到正常磁化電流的100倍。因此變壓器的合閘電流當然會很大。

　　4.2 鐵心用于工頻變壓器弊多利少

　　早期涉及R型鐵心變壓器的設計人員一開始就發現其易燒保險絲，回過頭來又覺得還是有切口的CD型鐵心變壓器比較好。實際上，根據電子工業部標準103-77，在其對單相變壓器鐵心尺寸精度參數規定中可以查到28種CD型鐵心端面間的間隙由小到大分為三檔，分別為不得超過0.03、0.05和0.075毫米。“不得超過”意味著間隙越小越好，還意味著最好不切開，但迫于繞制線圈不便，切開鐵心也是不得已而為之。

　　　　退一步講R型鐵心變壓器即使因為無間隙、Br值較高合閘電流較大，好在這個大電流持續時間很短，在50周情況下，最多持續1/4-1/2周期，也就是5-10毫秒，一般情況下，5-10毫秒后鐵心便進入穩定狀態，因為電子變壓器體積較小，分布參數也很小，不可能與電源頻率發生諧振，即使發生振蕩因為有內阻存在便會在幾個周波內被阻尼，能量靠積累才會發熱，實踐證明，即便是數毫秒之內的20-25倍的負載短路電流，甚至200微秒之內的上百倍額定電流，都未出現過繞組絕緣和銅線本身受傷害的先例。而CD型鐵心變壓器的合閘電流即使小，其產生的負作用是將鐵心的B值最少往下拉10%，這時要保證變壓器初級的感應電勢不變就需要相應增加匝數，由此我們可以看出若以增加氣隙來減少合閘電流必須以犧牲磁通密度B和增加匝數以及增加正常工作時的磁化電流為代價（一些實例看到的由原來燒保險絲變成后來的不燒了，有"可能"是因為匝數增加10%，內阻也將增加10%，空心電感將增加20%，使原來處于臨界的保險絲容量無形中增加了10-20%以上的保險）。