隔離變壓器基礎(chǔ)知識(shí)及其選擇和使用方式
發(fā)布時(shí)間：2021-11-16 11:58
傳統(tǒng)的單相電源線由火線、零線和地線組成。當(dāng)多個(gè)物理上分開的設(shè)備共用一條電源線時(shí)，由于設(shè)備的接地電位不同，有可能產(chǎn)生接地回路。這些接地回路在醫(yī)療設(shè)備中尤其成問題，并且在設(shè)備測(cè)試期間可能會(huì)造成麻煩。對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，很難用使用整流線路電壓的設(shè)備來測(cè)量接地環(huán)路。接地的測(cè)試設(shè)備（如示波器）可能會(huì)在無意中導(dǎo)致這些設(shè)備的電源短路。而且，交流電源線上會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，從而導(dǎo)致敏感的傳感器和儀器出現(xiàn)問題。
通過在電源輸入端與設(shè)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，以消除接地回路和測(cè)試設(shè)備意外接地。此外，還能抑制電源上的高頻噪聲。
本文將使用來自HammondManufacturing、Bel/SignalTransformer和TriadMagnetics的示例器件，來討論隔離變壓器的特征、選擇標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用。
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(shè)備之間提供電隔離。這意味著兩個(gè)繞組之間沒有直流路徑。它們主要用于三個(gè)用途：
首先是將次級(jí)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?gòu)某跫?jí)繞組傳輸?shù)酱渭?jí)繞組的線路噪聲，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（1）。初級(jí)和次級(jí)繞組纏繞在一個(gè)共用的鐵磁芯上。
在中，初級(jí)繞組繞鐵磁芯NP匝，次級(jí)繞組繞NS匝。初級(jí)電壓(VP)和次級(jí)電壓(VS)之間的關(guān)系如公式1所示：
公式1
如果初級(jí)繞組的匝數(shù)多于次級(jí)繞組，則次級(jí)繞組上的電壓將低于初級(jí)繞組上的電壓。這是一個(gè)降壓配置。如果初級(jí)繞組的匝數(shù)少于次級(jí)繞組，則次級(jí)繞組上的電壓將高于初級(jí)繞組上的電壓，從而導(dǎo)致升壓配置。大多數(shù)隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組匝數(shù)相同，因此初級(jí)和次級(jí)電壓也相同。
變壓器中的能量是守恒的，因此，如果我們忽略損耗，則VP與初級(jí)電流(IP)的乘積將等于VS與次級(jí)電流(IS)的乘積。變壓器的額定功率由初級(jí)繞組的RMS電壓乘以RMS初級(jí)電流的乘積來確定。這是“視在功率”，度量單位為伏安或VA。
原理上的點(diǎn)是定相點(diǎn)，表示初級(jí)和次級(jí)電流方向。如所示，流入繞組初級(jí)點(diǎn)側(cè)的電流會(huì)導(dǎo)致次級(jí)電流從繞組次級(jí)點(diǎn)側(cè)流出。如果繞組要串聯(lián)或并聯(lián)放置，這一點(diǎn)很重要。不遵循繞組的定相可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。
法拉第屏蔽是一種靜電屏蔽，可減小初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的電容，并且通常接地。該屏蔽可降低通過變壓器的共模噪聲和瞬變的幅度。
隔離變壓器中的初級(jí)和次級(jí)繞組高度絕緣，以最大程度地減少彼此之間的直接電導(dǎo)。絕緣效果的衡量標(biāo)準(zhǔn)是漏電電流。大多數(shù)隔離變壓器也使用高電勢(shì)或耐壓測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)檢查漏電電流時(shí)，這些儀器會(huì)在絕緣兩端施加高電壓。
隔離變壓器的物理結(jié)構(gòu)可以有多種形式，包括殼式結(jié)構(gòu)（2）。其中，初級(jí)繞組和次級(jí)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。
法拉第屏蔽可以為箔層或密繞繞組，如所示。接地通常位于初級(jí)側(cè)，與大地相連。由于初級(jí)繞組和次級(jí)繞組已經(jīng)使用了漆包線，因此這種結(jié)構(gòu)稱為“雙絕緣”。
或者，繞組可以并排放置在磁芯上，這稱為“多槽線架”結(jié)構(gòu)，也可以繞在環(huán)形磁芯上。
商業(yè)隔離變壓器
隔離變壓器可采用開放式結(jié)構(gòu)，也可封閉在屏蔽結(jié)構(gòu)中（3）。HammondManufacturing的171E隔離變壓器使用屏蔽殼體結(jié)構(gòu)。端蓋屏蔽罩包含變壓器的磁場(chǎng)，還用于最大程度地減少變壓器外部磁場(chǎng)的干擾。這款500VA的1:1變壓器還包括引線、NEMA、三線接地輸入和輸出連接器，以及集成式過載斷路器。
盡管接地線連接到次級(jí)輸出連接器，但在大多數(shù)隔離變壓器應(yīng)用中不會(huì)使用該接地線。在額定輸入電壓下，該變壓器初級(jí)和次級(jí)之間的漏電電流不到60微安(µA)。
來自Bel/SignalTransformer的DU1/4是一款250VA隔離變壓器，采用開放式結(jié)構(gòu)，具有兩組多抽頭繞組。初級(jí)繞組和次級(jí)繞組各有兩個(gè)（4）。
初級(jí)和次級(jí)繞組的額定電壓相同，分別為0、104、110和120伏。這樣可允許在初級(jí)或次級(jí)繞組上進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。因此，對(duì)于110或220伏輸入，可以維持標(biāo)稱的1:1比例。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，多抽頭繞組允許中間額定電壓，例如208伏、214伏或230伏（5）。
該變壓器的電源連接方式為螺紋端子。
如果初級(jí)和次級(jí)繞組均為串聯(lián)，則該變壓器是220伏輸入，1:1電壓比。如果初級(jí)和次級(jí)繞組均為并聯(lián)，則為110伏輸入，1:1電壓比，可用電流是單個(gè)繞組的兩倍。如果初級(jí)繞組串聯(lián)放置，而次級(jí)繞組為并聯(lián)，則初級(jí)電壓將降為二分之一。如果次級(jí)繞組為串聯(lián)，而初級(jí)繞組為并聯(lián)，則可實(shí)現(xiàn)2:1升壓。
醫(yī)療隔離
醫(yī)療應(yīng)用所采用的隔離變壓器必須滿足更嚴(yán)格的漏電電流要求。對(duì)于接地漏電、外殼漏電和患者漏電，均有最大漏電電流規(guī)格。接地漏電是指設(shè)備接地線中的漏電電流。外殼電流描述了通過接地線以外的導(dǎo)體從裸露的導(dǎo)電表面流到地面的電流。患者漏電是指正常連接到設(shè)備時(shí)，通過患者流向地面的電流。此類別中的大多數(shù)設(shè)備均已通過UL/IEC60601-1認(rèn)證。
TriadMagnetics的MD-500-U型是一款適用于醫(yī)療應(yīng)用的500VA隔離變壓器（6）。該變壓器通過UnderwritersLaboratories(UL)的UL60601-2規(guī)格認(rèn)證，典型漏電電流為10µA，最大漏電電流不到50µA。
MD-500-U采用環(huán)形變壓器，在最大程度上減小尺寸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)雜散磁場(chǎng)最小化和效率最大化。像大多數(shù)獨(dú)立醫(yī)用變壓器一樣，它牢牢封裝在一個(gè)鋼制外殼中，內(nèi)置保險(xiǎn)絲和熱熔斷開關(guān)。
典型的隔離變壓器應(yīng)用
隔離變壓器的最常見應(yīng)用是將設(shè)備與交流線路接地隔離。為了說明這樣做的必要性，我們以開關(guān)模式電源(SMPS)為例。典型的線路供電型SMPS存在若干安全相關(guān)問題（7）。
這是一個(gè)采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線路供電型電源。該電路的初級(jí)側(cè)以黃色突出顯示，對(duì)線路（電源）輸入進(jìn)行全波整流并將其應(yīng)用于初級(jí)軌。這意味著若使用120伏線路，高壓軌和低壓軌之間出現(xiàn)的電壓電平約為170伏，若使用240伏線路，該值約為340伏。此整流線路電壓將存儲(chǔ)于初級(jí)儲(chǔ)能電容器C2中。
請(qǐng)注意，該電源的初級(jí)和次級(jí)區(qū)段會(huì)采用反激式變壓器L2和光隔離耦合器Q4進(jìn)行電隔離。次級(jí)區(qū)段在負(fù)極(-)輸出端接地，初級(jí)區(qū)段不接地。若使用接地輸入儀器（如示波器）進(jìn)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(jí)側(cè)的元件連接可能會(huì)導(dǎo)致短路，而且還會(huì)損壞主要元件和示波器。
電源中的低壓初級(jí)軌連接到交流線路零線。雖然零線在進(jìn)線口處接地，但當(dāng)零線到達(dá)SMPS輸入時(shí)，可能比接地電壓高幾伏，這使其成為示波器探頭接地的不安全連接點(diǎn)。
隔離變壓器主要用于對(duì)SMPS的初級(jí)區(qū)段進(jìn)行電氣隔離。一經(jīng)隔離，便可與初級(jí)電路中任意部分的探頭接地端連接。這樣一來，無論地線夾連接到哪一個(gè)點(diǎn)，都會(huì)把接地基準(zhǔn)放在此處，從而消除了初級(jí)電路發(fā)生短路的可能性。
當(dāng)多個(gè)設(shè)備（每個(gè)設(shè)備具有自己的接地返回路徑）連接在一起時(shí)，這種相同的接地隔離能力使得隔離變壓器對(duì)于診斷和糾正接地回路非常有用。
變壓器允許隔離接地，以查看哪些設(shè)備是接地漏電電流的來源。
隔離變壓器還可以減少?gòu)木€路傳輸?shù)剿B接設(shè)備或從設(shè)備傳回線路的高頻噪聲。這是由于變壓器的串聯(lián)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。
總結(jié)
隔離變壓器可將連接至次級(jí)繞組的設(shè)備與初級(jí)繞組上的交流電源隔離，因此允許重新定義次級(jí)設(shè)備上的基準(zhǔn)平面。這樣還允許對(duì)漏電電流進(jìn)行重定向和控制。同時(shí)，它們會(huì)最大程度地減少高頻諧波和噪聲的傳輸。這些器件對(duì)于測(cè)試電源相關(guān)的設(shè)備非常有用。
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