何謂高頻變壓器?

       變壓器的主要功能,就是依據一次側 (輸入側) 跟二次側 (輸出側) 的銅線圈數比,調整輸出所需要的電壓值,其單位是伏特。早在愛迪生的那個年代,電力系統還在為要使用直流系統還是交流系統爭論不休,最後交流系統因為可以輕易的利用變壓器提升電壓,有效解決長距離傳輸電力時,導線電阻所引起的壓降問題,考量當年的時代背景與技術能力,理所當然由交流電系統勝出。

舉例說明如下,電力公司提供給用戶的電壓為定值(V),提供的總視在功率 S=V x I ,金屬導線的電阻值 R與長度成正比與截面積成反比,導線越長電阻越大,不管直流或交流系統,傳輸相同的功率P都需要面對相同長度的輸電線,所以輸電線電阻R相同。差別在於交流系統在發電機端,可以加裝變壓器升壓以高壓輸電 V_high,在用戶端也裝一顆變壓器降壓至所需值,缺點則是高壓輸電相對比較危險,直流電升壓以當時的技術還辦不到,連愛迪生都只能摸摸鼻子,選擇以低壓傳輸電力 V_low,但對人體而言相對安全。接下來用小學生數學來解釋一下,發電機產生同樣的S,因選用不同的輸電系統決定高壓輸電 V_high 或低壓輸電 V_low ,加上傳輸導線電阻R也相同,輸電線造成的電力損失 P_loss 表示如下: 

輸電線損失公式.tiff

        在用電量越高,輸電距離越長的情況下,不難看出交流電力系統勝出的原因。既然選用交流電力系統,自然要定義系統的供電頻率,各國都可以定義自己的標準,一般來說不是50Hz就是60Hz,至於當初為何選用這兩種低頻值一統天下,在下也沒有查出什麼可以說嘴的原因,只確定頻率值與發電機的磁極數量與轉速有關,磁極數量牽扯到發電機的架構設計,轉速的快慢關係到發電機能夠承受的機械應力強度,感情是基於各種面向的考量定下的規矩。所以只要是設計給50Hz/60Hz這種電源頻率使用的變壓器,就通稱為『低頻變壓器』,一般都是配合電力系統在使用,也稱之為電力變壓器,其鐵芯材質均以矽鋼片為主。

高頻變壓器的優點

隨著時代的進步與電力電子技術的快速發展,在直流升降壓原理都已經快變成基本常識的現代,搭配直流升降壓技術應用的變壓器,一般切換頻率至少都大於 20KHz 以上,而切換頻率的最大值則受限於開關功率元件的耐熱能力(BJT , MOSFET , IGBT)及鐵芯材質之鐵損大小,換句話說一切受限於材料所能忍受的溫度,這類用於電源供應器裡的變壓器,其鐵芯材質均改以鐵氧體為主(Ferrite Core),一般通稱為『高頻變壓器』。

為何直流升降壓技術會想要提高變壓器輸入端的電源頻率?該頻率由開關元件每秒的切換次數決定,故也稱之為切換頻率 fs,這要從法拉第定律(公式1)開始講古,經過底下一連串無關緊要的推導之後,最後得到了一個重要的結論請參考公式4,變壓器輸入電壓相同時,提高切換頻率可以選擇降低圈數N、降低磁通密度△B或是鐵芯截面積也就是鐵芯尺寸,在選定鐵芯材質時就已經決定最多有多少△B可以利用,決定傳輸多少功率就已經決定導線線徑,所以通常拉高切換頻率都是為了降低圈數或降低鐵芯體積。  

法拉第定律.tiff

N:圈數  ,  V:感應電壓  ,  Φ:磁通  ,B:磁通密度  ,  A:鐵芯截面積  ,  D:責任週期(duty) ,   Ts :切換週期 ,  fs : 切換頻率

 

矽鋼片_210x210.jpg結構圖.jpg

圖(一)  低頻變壓器鐵芯由矽鋼片組合而成,右側為結構圖。

 

 

soft-ferrite-core.jpg

圖(二)高頻變壓器鐵芯由鐵氧體材料壓鑄而成,一般稱 Ferrite Core。 

 

參考網址:

1.  數學傳播季刊 39 2期(154),圖解梯度、散度與旋度,作者 林琦焜。 http://w3.math.sinica.edu.tw/mathmedia/pdf_a.jsp?m_file=ZDM5Mi8zOTIwMw==

變壓器設計APPMAPD_300x300.pnghttps://itunes.apple.com/tw/app/bian-ya-qi-she-ji/id1037553114?l=zh&mt=8  

 

 

 

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