概念
關鍵詞：變壓器，環形變壓器，環型變壓器，電源變壓器，低頻變壓器，變壓器設計。
簡介
環形變壓器是電子變壓器的一大類型，已廣泛應用于家電設備和其它技術要求較高的電子設備中，它的主要用途是作為電源變壓器和隔離變壓器。環形變壓器在國外已有完整的系列，廣泛應用于計算機、醫療設備、電訊、儀器和燈光照明等方面。我國近十年來環形變壓器從無到有，迄今為止已形成相當大的生産規模，除滿足國内需求外，還大量出口。國内主要用于家電的音響設備和自控設備以及石英燈照明等方面。環形變壓器由于有優良的性能價格比，有良好的輸出特性和抗幹擾能力，因而它是一種有競争力的電子變壓器。
分類
1）标準型電源變壓器
産品系列容量8～1500VA，有較小的電壓調整率、滿載運行溫升僅為40℃，允許短時超載運行，适合于要求高的使用場合。初次級繞組間采用B級（130℃）的聚酯薄膜絕緣，要求至少包三層絕緣帶，能經受交流4000V，1min的耐壓試驗。
2）經濟型電源變壓器産品系列容量50～1500VA。
3）隔離變壓器産品系列容量50～1000VA，所有初級引線必須采用雙絕緣導線。變壓器最大溫升低于45℃。此外對醫療用的隔離變壓器還要求在初級繞組裝有溫度保護開關，當鐵心溫度達到120℃時，溫度保護開關斷開，當溫度恢複正常時，開關自動複位合上。
環形變壓器應用中應注意的問題
4．1變壓器的功率
容量變壓器的功率容量是決定鐵心尺寸的主要依據。在很多場合變壓器的負載是間歇性的，例如音響設備中的電源變壓器。這時變壓器的體積和重量較連續工作時要減少很多，如圖2所示負載A段對整個B段而言是較小的一段，這時變壓器的工作周期比其熱時間常數要短很多，可用式（1）計算變壓器的額定功率。式中：PN——變壓器額定功率（VA）；PL——變壓器負載功率（VA）；A——接通負載時間；B———變壓器工作周期。
4．2電壓調整率
電壓調整率是衡量變壓器負載特性的重要指标。電壓調整率是指當輸入電壓不變，負載電流從零升到額定值時，輸出電壓U2的相對變化值，通常以百分數表示，如式（2）所示：式中ΔU——電壓調整率；U20——空載輸出電壓（V）；U2——變壓器額定負載時的輸出電壓（V）。表2列出加拿大PLITRON公司環形變壓器的電壓調整率，其特性曲線如圖3所示，電壓調整率随變壓器容量增大而下降。
4．3環形變壓器效率
由于變壓器有鐵損和銅損，輸出功率PO總是小于輸入功率Pi，變壓器的效率η，列出了三組不同功率的變壓器效率曲線，随着容量增大效率明顯增高，容量300VA以上的變壓器，在額定負載下效率可高達95%以上。
4．4自耦變壓器
當隻要求升壓或降壓，而不要求初級與次級繞組隔離的情況下，使用自耦變壓器是合适的。自耦變壓器具有體積小，成本低、傳輸功率大等優點，用環形鐵心繞制自耦變壓器因初次級繞組不需絕緣，加工十分方便，體積、重量更小，造價更低。要注意的是自耦變壓器初、次級繞組的公共端（COM）要接零線，這樣才安全。自耦變壓器電路如圖5所示，它的額定功率PAH按式（4）計算。PAH=PAO(UH－UL)/UH(VA)（4）
式中：PAO——自耦變壓器輸出功率（VA）；UH——高電壓繞組電壓（V）；UL——低電壓繞組電壓（V）。
4．5溫升問題
環形變壓器的溫升特性曲線示于圖6，從圖6可看出環形變壓器的溫升是較低的，對标準型系列，即便是過載120%，溫升也不超過70℃。變壓器的溫升是由鐵損和銅損兩部分決定的，對疊片式變壓器，這兩部分基本相等，但環形變壓器由于采用優質冷軋矽鋼片繞制，并配合良好的退火工藝，其鐵心損耗僅為全部損耗的（10～20）%，所以溫升主要由繞組銅耗決定。
合理的設計是初、次級繞組的功耗應基本平衡。溫升也與散熱面積關系很大，由于環形變壓器鐵心溫升低，繞組在整個鐵心上均勻繞制，散熱面積和散熱條件都比較好，因此能獲得較低的溫升。
4．6合閘電流
一般變壓器在合閘時都會産生很大的合閘沖擊電流，而環形變壓器由于沒有氣隙和具有高磁導率則會造成更大的合閘電流。300VA以下的環形變壓器可以用一般熔斷器作保護，但為了防止合閘電流燒斷熔斷器，選擇熔斷器的電流應比變壓器初級電流大8～10倍。300VA以上的環形變壓器要考慮使用慢速熔斷器或溫度熔斷器作保護，有時為了降低該沖擊電流可以将變壓器磁通密度B值取低些。
4．7變壓器與整流電路
大多數作電源用的環形變壓器都與整流電路相連，現将最常用的整流電路和變壓器次級電壓U2、次電流I2與直流電壓Ud直流電流Id的關系列在表3中，供設計時參考。
設計計算
通過設計一台50Hz石英燈用的電源變壓器，
其初級電壓U1=220V，次級電壓U2=11.8V，次級電流I2=16.7A，電壓調整率ΔU≤7%，來說明計算的方法和步驟。
計算變壓器次級功率P2=I2U2=16.7×11.8=197VA(5)
計算變壓器輸入功率P1（設變壓器效率η=0.95）與輸入電流I1
式中：K——系數與變壓器功率有關，K=0.6～0.8，取K=0.75；根據現有鐵心規格選用鐵芯尺寸為：高H=40mm，内徑Dno=55mm，外徑Dwo=110mm。式中：f——電源頻率（Hz），f=50Hz；B——磁通密度（T）,B=1.4T，N2=N20·U2=3.23×11.8=38.1匝，取N2=38匝。
選擇導線線徑繞組導線線徑d按式(10)計算式中：I——通過導線的電流（A）j——電流密度，j=2.5～3A/mm2。當取j=2.5A/mm2時代入式(10)得用兩條d=2.12mm（考慮絕緣漆最大外徑為2.21mm）導線并繞。因為Φ2.94導線的截面積Sd2=6.78mm2，而d=2.12mm導線的截面積為3.53mm2兩條并聯後可德截面積為：2×3.53=7.06mm2，完全符合要求且裕度較大。
環形變壓器的結構計算
環形變壓器的繞組是用繞線機的繞線環在鐵心内作旋轉運動而繞制的，因此鐵心内徑的尺寸對加工過程十分重要，結構計算的目的就是檢驗繞完全部繞組後，内徑尚餘多少空間。若經計算内徑空間過小不符合繞制要求時，可以修改鐵心尺寸，隻要維持截面積不變，電性能也基本不變。已知鐵心内徑Dno=55mm，圖7中各絕緣層厚度為to=1.5mm，t1=t2=1mm。
1）計算繞完初級繞組及包絕緣後的内徑Dn2計算初級繞組每層繞的匝數n1式中：Dn1——鐵心包絕緣後的内徑，Dn1=Dno－2t0=55－(2×1.5)=52mm；kp——疊繞系數，kp=1.15。則初級繞組的層數Q1為初級繞組厚度δ1為
2）計算次級繞組的厚度δ2計算次級繞組每層繞的匝數n2，考慮到次級繞組是用2×d2=2×2.21mm導線并繞，則可見繞完繞組後，内徑還有裕量，所選鐵芯尺寸是合适的。
性能測試
為檢驗設計方法的準确性，對按設計參數制成的環形變壓器樣品進行了性能測試，結果如下。
7．1空載特性測試
測量電路。測得的數據列于表4，按照表4的數據，繪出圖9所示的空載特性曲線。從變壓器的空載特性看出設計符合要求，在額定工作電壓220V時（工作點為A），變壓器的空載電流隻有13.8mA，即使電源電壓上升到240V變壓器工作在B點鐵心還未飽和，有較大的裕度。
7．2電壓調整率測量
變壓器在空載時測得的次級空載電壓U20=12.6V，當通以額定電流I2=16.7A時，次級輸出電壓為U2=11.8V，按式（2）計算電壓調整率為變壓器電壓調整率達到ΔU<7%的指标。
7．3溫升試驗
用電阻法對變壓器繞組進行溫升試驗，在通電4h變壓器溫升穩定後進行測試，并按式（12）計算繞組平均溫升Δτm。測量的數據及計算結果，從溫升試驗結果看出所設計的變壓器已達到标準型溫升标準，即Δτm<40℃，初次級繞組溫升基本相等，即兩繞組功耗較均衡。
7．4絕緣性能試驗
1）絕緣電阻 用500V搖表測試絕緣電阻，初次級繞組之間的絕緣電阻在常态下均大于100MΩ。
2）抗電強度 變壓器初級與次級繞組之間能承受50Hz，4000V（有效值）電壓1min，而無擊穿和飛弧。限定漏電流為1mA，此項試驗證明變壓器的抗電強度達到IEC标準。
8結語
環形變壓器以其優良的性能和有競争力的性能價格比，可以預期它會在較大領域内取代傳統的疊片式變壓器，随着環形變壓器技術性能進一步提高，它将會在電子變壓器領域中有更廣闊的應用前景。
環形變壓器的特點
環形變壓器的鐵心是用優質冷軋矽鋼片（片厚一般為0.35mm以下），無縫地卷制而成，這就使得它的鐵心性能優于傳統的疊片式鐵心。環形變壓器的線圈均勻地繞在鐵心上，線圈産生的磁力線方向與鐵心磁路幾乎完全重合，與疊片式相比激磁能量和鐵心損耗将減小25%，由此帶來了下述一系列的優點。
優點一
1）電效率高鐵心無氣隙，疊裝系數可高達95%以上，鐵心磁導率可取1.5～1.8T（疊片式鐵心隻能取1.2～1.4T），電效率高達95%以上，空載電流隻有疊片式的10%。
優點二
2）外形尺寸小，重量輕環形變壓器比疊片式變壓器重量可以減輕一半，隻要保持鐵心截面積相等，環形變壓器容易改變鐵心的長、寬、高比例，可以設計出符合要求的外形尺寸。
優點三
3）磁幹擾較小環形變壓器鐵心沒有氣隙，繞組均勻地繞在環形的鐵心上，這種結構導緻了漏磁小，電磁輻射也小，無需另加屏蔽都可以用到高靈敏度的電子設備上，例如應用在低電平放大器和醫療設備上。
優點四
4）振動噪聲較小鐵心沒有氣隙能減少鐵心
