整机类产品中变压器的温升及测试方法

整机类产品中变压器的温升及测试方法江苏省电子信息产品质量监督检验研究院史勇强前言：变压器是用来传递电压及功率的一种元件，被广泛应用于家电、电子产品及信息类产品中，因此对于变压器安全性能的考核变得尤为重要。这里所说的变压器温升测试是考核变压器安全性能的一个方面，在整机类产品中，我们通常采用热电偶法测试变压器温升。关键词：温升、热平衡系数、散热系数、功率损耗、导热性能、热交换。一．变压器的温升变压器工作过程中的功率损耗所产生的热量一部分为铁芯（磁芯）及线包所吸收，使铁芯（磁芯）及线包的温度升高；另一部分热量则通过变压器的表面以辐射、对流及传导等方式散发到周围介质中，最终达到热平衡。热平衡时，铁芯（磁芯）及线包的温度超出环境温度的量称为铁芯（磁芯）及线包的温升。这里我分别用△τc及△τm来表示。我们知道，铁芯（磁芯）的功率损耗Pc首先为铁芯（磁芯）所吸收而发热，使铁芯（磁芯）温度升高；同样铜耗Pm使线包温度升高。因铁芯（磁芯）和线包紧靠在一起，当两者有温差时，将产生热交换。如线包温度高于铁芯（磁芯），则有一部分热量从线包传向铁芯（磁芯），铁芯（磁芯）将帮助线包散热，使线包温度下降。反之亦然。但是，由于铁芯（磁芯）和线包之间的热交换是通过骨架来实现的，骨架的导热性能比较差，热量通过时会有一部分温度降落。因此，在达到热平衡时，铁芯（磁芯）和线包之间仍然存在温差。二．热平衡系数为了进行变压器的热计算，先假设铁芯（磁芯）和线包之间绝热，两者之间无热交换。铁耗、磁耗所产生的热量由铁芯（磁芯）所吸收及散发；铜耗则由线包吸收及散发。这样得出的温升在次称为初始温升，分别用△τc′和△τm′来表示。△τc′=Pc/αc.Fc；△τm′=Pm/αm.Fm上述式子中，Pc、Pm分别为铁耗（磁耗）、铜耗（W），αc、αm为铁芯（磁芯）以及线包的散热系数（W/cm2.℃），Fc、Fm为铁芯（磁芯）以及线包的散热表面积（cm2）。铁芯（磁芯）比线包的散热能力强，经测定αc=1.5αm,故△τc′/△τm′=1.5Fc.Pm/Fm.Pc称为热平衡系数k。k=△τm/△τc下为热平衡系数曲线图。热平衡系数k曲线图三．线包温升计算我们知道当△τm′△τc′时，线包中将有一部分热量传递铁芯（磁芯），△τm=（Pm-△Pm）/αm.Fm计算得到:△τm=(Pm+Pc)/αm.Fm.(1+1.5β/k),其中β=Fc/Fm；四．变压器温升的布点从上面的公式可知，当k1时，线包中将有一部分热量传递给铁芯（磁芯），当k1时，铁芯（磁芯）中将有一部分热量传递给线包，当k=1时，铁芯（磁芯）与线包之间无热交换。由于我们无法先知在一只在试变压器k值的大小，所以在进行温升测试布点时应考虑铁芯（磁芯）与线包热交换的两个方向。布点：首先确定变压器的关键件（骨架、铁芯或磁芯、线包），布点个数（靠近线包一侧骨架、靠近铁芯或磁芯一侧骨架、靠线包一侧铁芯或磁芯、靠铁芯或磁芯一侧线包）。五．选用测试仪器我院目前采用的温升测试系统为DR030温度巡回测试仪和DH18357静态应变测试系统；由于DH18357静态应变测试系统能显示温升曲线，能正确把握热平衡状态，故测量温升时推荐使用DH18357静态应变测试系统。六．试验结果比对A．以HM29239型寸黑白监视器中的开关电源变压器为例，设备工作电压264V,见表1：表1温升测试点1h（℃）2h（℃）3h（℃）4h（℃）52#（靠近磁芯骨架）29.743.844.144.053#（靠近线包一侧骨架）30.946.947.247.356#(靠近引线脚骨架)29.139.743.242.954#（靠磁芯一侧线包）38.752.553.353.355#（磁芯中间线包表面）32.945.951.550.458#（靠线包一侧磁芯）31.848.949.649.859#（磁芯外表面）30.542.948.448.2环境温度t1：15.1℃;t2:15.3℃从以上数据可以看出,52#、53#比56#达到热平衡的时间要少些，温度要高些；同样54#和55#、58#和59#相比也是如此。B．PTS-1001型10寸黑白监视器中的电源变压器为例，设备工作电压242V,见表2：表2温升测试点1h（℃）2h（℃）3h（℃）4h（℃）52#（靠近铁芯骨架）29.742.944.444.953#（靠近线包一侧骨架）30.443.745.245.356#(靠近引线脚骨架)29.039.443.944.354#（靠铁芯一侧线包）39.759.561.361.655#（铁芯中间线包表面）37.957.459.559.858#（靠线包一侧铁芯）34.344.747.848.059#（铁芯外表面）30.143.946.446.6环境温度t1：15.9℃;t2:16.3℃从以上数据可以看出,52#、53#比56#达到热平衡的时间要少些，温度要高些；同样54#和55#、58#和59#相比也是如此。对以上结果的简要说明：由于使用变压器的整机产品种类繁多，所以上述结果有它的局限性、片面性；其实在试验中我们不难发现，变压器达到热平衡的时间以及关键部件的温升还跟设备的散热的空间有关，同时从热平衡系数曲线图可以看出，K值的大小也将影响热平衡的时间以及关键部件的温升。七．结束语A．变压器的温升是由铁耗(磁耗)以及铜耗产生的。B．变压器的温升取决于变压器所用关键件、散热空间、变压器自身的工作状态。C．在达到热平衡时，变压器所用关键件之间仍然存在温差，温差的大小主要取决于变压器的热平衡系数的大小以及骨架的导热性能。D．在进行变压器温升测试时，要兼顾变压器所用线包与铁芯（磁芯）之间的热交换方向，同时布点要尽量布与线包、骨架以及铁芯（磁芯）的接触面或接触面边缘。引用文献：1.GB8898-2001音频、视频及类似设备安全要求2.《机电元件》上海科学技术出版社出版