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發布時間:2020/10/24
傳統的單相電源線由火線❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、零線和地線組成㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。當多個物理上分開的設備共用一條電源線時✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,由于設備的接地電位不同①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,有可能產生接地回路❣❦❧♡۵。這些接地回路在醫療設備中尤其成問題⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,并且在設備測試期間可能會造成麻煩ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。對于設計人員而言⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,很難用使用整流線路電壓的設備來測量接地環路ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。接地的測試設備(如示波器)可能會在無意中導致這些設備的電源短路⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。而且㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,交流電源線上會產生高頻噪聲⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,從而導致敏感的傳感器和儀器出現問題ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。
通過在電源輸入端與設備之間正確使用隔離變壓器⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,可以避免所有這些問題ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。
隔離變壓器有助于隔離電源線接地連接✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥,以消除接地回路和測試設備意外接地㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。此外⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,還能抑制電源上的高頻噪聲ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。
本文將使用來自 Hammond Manufacturingⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、Bel/Signal Transformer 和 Triad Magnetics 的示例器件☈⊙☉℃℉❅,來討論隔離變壓器的特征☾☽❄☃、選擇標準和應用㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。
隔離變壓器工作原理
隔離變壓器在交流電源線(主電源)與用電設備之間提供電隔離ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。這意味著兩個繞組之間沒有直流路徑⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。它們主要用于三個用途:
首先是將次級繞組與地面(接地)隔離
其次是提供線路(主)電壓的升降操作
第三是減少從初級繞組傳輸到次級繞組的線路噪聲⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,反之亦然
隔離變壓器首先是變壓器ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,它們具有變壓器的共同特征(圖 1)ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。初級和次級繞組纏繞在一個共用的鐵磁芯上☾☽❄☃。
公式 1
如果初級繞組的匝數多于次級繞組㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,則次級繞組上的電壓將低于初級繞組上的電壓ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。這是一個降壓配置☈⊙☉℃℉❅。如果初級繞組的匝數少于次級繞組✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,則次級繞組上的電壓將高于初級繞組上的電壓☾☽❄☃,從而導致升壓配置✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。大多數隔離變壓器的初級和次級繞組匝數相同㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,因此初級和次級電壓也相同❣❦❧♡۵。
變壓器中的能量是守恒的ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ,因此⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,如果幸运pk10快艇忽略損耗✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,則 VP 與初級電流 (IP) 的乘積將等于 VS 與次級電流 (IS) 的乘積ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。變壓器的額定功率由初級繞組的 RMS 電壓乘以 RMS 初級電流的乘積來確定❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。這是“視在功率”웃유ღ♋♂,度量單位為伏安或 VA①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。
原理圖上的點是定相點⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,表示初級和次級電流方向❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。如圖所示ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ,流入繞組初級點側的電流會導致次級電流從繞組次級點側流出❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰。如果繞組要串聯或并聯放置ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,這一點很重要☈⊙☉℃℉❅。不遵循繞組的定相可能會導致錯誤✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。
法拉第屏蔽是一種靜電屏蔽웃유ღ♋♂,可減小初級繞組與次級繞組之間的電容ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ,并且通常接地ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。該屏蔽可降低通過變壓器的共模噪聲和瞬變的幅度㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。
隔離變壓器中的初級和次級繞組高度絕緣ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,以最大程度地減少彼此之間的直接電導㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。絕緣效果的衡量標準是漏電電流⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。大多數隔離變壓器也使用高電勢或耐壓測試儀進行測試✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。當檢查漏電電流時⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾,這些儀器會在絕緣兩端施加高電壓ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。
隔離變壓器的物理結構可以有多種形式⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,包括殼式結構(圖 2)⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。其中ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,初級繞組和次級繞組以同心方式包裹著絕緣層☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;,法拉第屏蔽插入這兩層之間①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。
或者⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯,繞組可以并排放置在磁芯上☈⊙☉℃℉❅,這稱為“多槽線架”結構☈⊙☉℃℉❅,也可以繞在環形磁芯上⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。
商業隔離變壓器
隔離變壓器可采用開放式結構❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,也可封閉在屏蔽結構中(圖3)✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。Hammond Manufacturing 的 171E 隔離變壓器使用屏蔽殼體結構ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ。端蓋屏蔽罩包含變壓器的磁場✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅,還用于最大程度地減少變壓器外部磁場的干擾㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。這款 500 VA 的 1:1 變壓器還包括引線☈⊙☉℃℉❅、NEMAⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、三線接地輸入和輸出連接器❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,以及集成式過載斷路器✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。
盡管接地線連接到次級輸出連接器웃유ღ♋♂,但在大多數隔離變壓器應用中不會使用該接地線㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。在額定輸入電壓下❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,該變壓器初級和次級之間的漏電電流不到 60 微安 (µA)☾☽❄☃。
初級和次級繞組的額定電壓相同웃유ღ♋♂,分別為 0❣❦❧♡۵、104❣❦❧♡۵、110 和 120 伏❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。這樣可允許在初級或次級繞組上進行串聯或并聯㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。因此☈⊙☉℃℉❅,對于 110 或 220 伏輸入✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥,可以維持標稱的 1:1 比例㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。而且♀☿☼☀☁☂☄,也可以配置從 110 伏到 220 伏的升壓變壓器ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ,或從 220 伏到 110 伏的降壓變壓器ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ。另外㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂,多抽頭繞組允許中間額定電壓ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ,例如 208 伏ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、214 伏或 230 伏(圖 5)♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。
該變壓器的電源連接方式為螺紋端子⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
醫療隔離
醫療應用所采用的隔離變壓器必須滿足更嚴格的漏電電流要求㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。對于接地漏電ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、外殼漏電和患者漏電㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦,均有最大漏電電流規格⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。接地漏電是指設備接地線中的漏電電流ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。外殼電流描述了通過接地線以外的導體從裸露的導電表面流到地面的電流♀☿☼☀☁☂☄。患者漏電是指正常連接到設備時♀☿☼☀☁☂☄,通過患者流向地面的電流⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。此類別中的大多數設備均已通過 UL/IEC 60601-1 認證✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。
Triad Magnetics 的 MD-500-U 型是一款適用于醫療應用的 500 VA 隔離變壓器(圖 6)☧☬☸✡♁✙♆。,、':∶;。該變壓器通過 Underwriters Laboratories (UL) 的 UL 60601-2 規格認證⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,典型漏電電流為 10 µA⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,最大漏電電流不到 50 µA⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤。
典型的隔離變壓器應用
隔離變壓器的最常見應用是將設備與交流線路接地隔離❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。為了說明這樣做的必要性ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,幸运pk10快艇以開關模式電源 (SMPS) 為例❣❦❧♡۵。典型的線路供電型 SMPS 存在若干安全相關問題(圖 7)㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。
請注意①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,該電源的初級和次級區段會采用反激式變壓器 L2 和光隔離耦合器 Q4 進行電隔離㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。次級區段在負極 (-) 輸出端接地ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ,初級區段不接地☾☽❄☃。若使用接地輸入儀器(如示波器)進行故障排除✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴,這種接地方式便有問題☈⊙☉℃℉❅。將示波器探頭的接地連接端與電源初級側的元件連接可能會導致短路⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤,而且還會損壞主要元件和示波器⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。
電源中的低壓初級軌連接到交流線路零線♀☿☼☀☁☂☄。雖然零線在進線口處接地❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣,但當零線到達 SMPS 輸入時⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓,可能比接地電壓高幾伏웃유ღ♋♂,這使其成為示波器探頭接地的不安全連接點㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。
隔離變壓器主要用于對 SMPS 的初級區段進行電氣隔離ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。一經隔離①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,便可與初級電路中任意部分的探頭接地端連接♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃。這樣一來⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺,無論地線夾連接到哪一個點웃유ღ♋♂,都會把接地基準放在此處①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯,從而消除了初級電路發生短路的可能性ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。
當多個設備(每個設備具有自己的接地返回路徑)連接在一起時❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰,這種相同的接地隔離能力使得隔離變壓器對于診斷和糾正接地回路非常有用㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。
變壓器允許隔離接地웃유ღ♋♂,以查看哪些設備是接地漏電電流的來源✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。
隔離變壓器還可以減少從線路傳輸到所連接設備或從設備傳回線路的高頻噪聲ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ。這是由于變壓器的串聯電感和接地的法拉第屏蔽ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ,后者減少了變壓器兩端的電容耦合❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣。
總結
隔離變壓器可將連接至次級繞組的設備與初級繞組上的交流電源隔離㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉,因此允許重新定義次級設備上的基準平面⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯。這樣還允許對漏電電流進行重定向和控制✤✥❋✦✧✩✰✪✫✬✭✮✯❂✡★✱✲✳✴。同時♀☿☼☀☁☂☄,它們會最大程度地減少高頻諧波和噪聲的傳輸✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅。這些器件對于測試電源相關的設備非常有用♀☿☼☀☁☂☄。
幸运pk10快艇是一家集產品研發ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、制造ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、銷售㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂、服務為一體的高科技企業⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。我公司專業生產各種型號的高低壓電抗器及變頻器周邊配套產品♀☿☼☀☁☂☄。
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