大功率UV灯用的漏磁变压器

徐士佐

（上海市电子学会，上海200031）

摘 要：着重介绍大功率UV灯用的漏磁变压器的结构，自耦式漏磁变压器的设计和调试。

1前言
　　在电子行业，印刷电路板的制作要用光固化油墨，常用UV紫外线光固化机，通过传送带使物件通过紫外线强光照射，促使光致抗蚀剂或光敏漆快速固化，且UV灯产生很高的热量将油墨烘干。完全固化后的膜层表面应平滑、硬度较高。UV光固化机的光源，常装有3支5kW的大功率高压紫外线灯，光固化速度约为每分钟3米。涂有光致抗蚀剂的印刷电路板，在UV光固化机的传送带上，通过3支紫外线灯的照射后，光致抗蚀剂就被固化，从而达到加工的目的。
　　UV紫外线灯是气体放电灯，在石英灯管中充以高压水银蒸气，它的供电方式以采用漏磁变压器为主，当UV灯起辉后，必须限制通过灯管的电流，大功率UV灯管有5kW、7.5kW和10kW等几种，灯管两端的电压约有1kV。UV灯用的漏磁变压器有隔离式和自耦式两种，其电原理如图1和图2所示。
2UV灯漏磁变压器的结构
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图1隔离式变压器

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图2自耦式变压器

2.1隔离型漏磁变压器
　　5kW隔离型漏磁变压器的结构类似于霓虹灯变压器，中间的两个绕组为初级绕组，为了适应220V或380V电源，初级绕两个0V－190V－220V相同的绕组，将它们串联或并联，可适应220V、380V或440V的电源电压，次级电压为1100V/5A，分绕成两个绕组，置于初级绕组的两边，初、次级绕组之间设有4个磁分路，将初、次级绕组隔开，当变压器通电时，能起到限流的作用。
　　从图1可见，次线绕组输出电路中串联一个电容器，再与UV灯管相接，就是一个RLC谐振电路。当电源电压变化时，次级回路还有稳压作用，由于电容器C的存在，也使电路的功率因数有所提高。

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图3自耦式变压器
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图4铁心尺寸

2.2自耦式UV灯漏磁变压器
　　图3为自耦式变压器结构，采用□字形芯式铁心，左边的两个绕组为初级绕组，右边的两个绕组为次级绕组，初、次级绕组之间有磁分路隔开，初、次级绕组相互串联后，接成如图2所示的电路。因此，初级绕组既是输入回路，又是输出回路的一部份。
　　自耦式漏磁变压器的特点是体积小、效率高，但因变压器的阻抗小，通电开机时浪涌电流大，为了防止对灯管的冲击，必须在电路中串联一个电抗器，如图2中的L，以增加回路中的阻抗。
35kW自耦式漏磁变压器
　　按图2所示的电路图设计一台5kW自耦式UV灯漏磁变压器，其电气参数如下：
　　UV灯管的额定功率：P=5kW
　　灯管电压：U=1000V
　　灯管电流：I=5A
　　变压器输入电压：U1=380V，f=50Hz
　　变压器输出电压：U2=1170V
　　额定负载电流：I2=5A
　　绝缘等级：B级（130℃）
　　温升：Δτm≤80℃(在强迫风冷条件下)
　　耐压：3000V，10mA，1分钟
　　计算步骤如下：
　　（1）变压器容量PT=U2I2=1170×5=5850VA
　　（2）变压器输入电流I1由下式求出：
I1=PT/U1=5850/380=15.4(A)
　　(3)输出绕组电流I2=灯管电流=5A
　　(4)变压器输入端公共部份绕组N1的电流I1′，因输入电流和输出电流的方向相反，所以有一部份电流被抵消，故：
I1′=I1－I2=15.4－5=10.4(A)
　　(5)绕组N2的电压U2′
U2′=U2－U1=1170－380=790(V)
　　(6)变压器平均功率P
P=（U1I1′＋U2′I2）/2=（380×10.5＋790×5）/2=3970(VA)
　　(7)求铁心截面积SC
　　UV灯漏磁变压器的次级回路工作在RLC谐振状态，铁心处于饱和条件，若采用DW360－50无取向冷轧硅钢片，磁感应强度B的值可取到约1.5T～1.6T，所以铁心截面积
　　(8)确定铁心尺寸
　　铁心截面积SC=abKC=6×8×0.95=45.6()
　　铁心磁路长度LC=72cm
　　铁心重量GC为：
GC=SCLcr×10－3=45.6×72×7.7×10－3=25.3kg
　　（9）计算初级绕组匝数
N1=U1×104/4.44fBSC=380×104/4.44×50×1.55×45.6=242（t）
　　(10)每伏匝数
TV=N1/U1=242/380=0.637（t/v）
　　（11）次级匝数
N2=1.035U2TV=1.035×790×0.637=520(t)
　　（12）初级导线直径d1
　　(13)次级导线直径d2
　　(14)各绕组排列
　　初级分两个线包，每个线包用QZ－2.5漆包线绕121t，装配时串联；
　　次级也分两个线包，每个线包用QZ－2.1漆包线绕260t，装配时串联。
　　4个线包组装在铁心上的外形结构如图5所示。
4UV灯漏磁变压器的调试
　　5kWUV灯漏磁变压器必须按图6所示的电路联接，并在UV灯点亮时产生强烈的紫外光线，以防止紫外线灼伤人的皮肤，必须将UV灯管用金属罩子罩起来，必要时，调试人员还应戴好太阳眼镜。
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图5线包铁心组装图
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图6调试电路图

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图7回路失量图

4.1开路试验
　　将3相调压器的指针调到0位。断开漏磁变压器输出回路。接通3相调压器的380V50Hz电源。逐步调节3相调压器旋钮，使漏磁变压器初级①－②的电压达到380V。用钳形电流表测量输入空载电流I1达到2A。用交流电压表测得次级③－④的电压为640V，测得①－④的输出电压为1020V。将3相调压器调回到0位，切断电源。
4.2负载试验
　　按图6所示电路接上负载，输入和输出均用钳形电流表表示。接通3相调节器的380V50Hz电源。逐步调节3相调压器，使电压逐步上升到380V，此时UV灯管也开始发光，逐步点亮，两个钳形表的电流也逐步上升。待5分钟后，紫外线灯的发光基本稳定，记录输入电流I1为15A，输出电流I2为5.5A。测量各点的电压，输入电压U①－②=380V，输出电压U①－④=1170V，电容器两端电压UC=1300V，灯管两端电压U=920V，电抗器两端电压UL=180V。
　　若输出电流I2的偏差太大，即流过紫外线灯管的电流与额定值偏离太大，可调整变压器铁心中的磁分路片，增减磁分路的厚度，以改变输出回路的电气参数，达到最佳的数值。
　　经调整后，必须将主铁心和磁分路压紧，以防止在负载时铁心会产生振动噪声，因铁心处于磁饱和状态，所以最好将变压器整体浸漆、烘干后，变压器噪声会大为减小。
4.3电抗器
　　电抗器工作时，两端的电压应预先调整到150V5A，所以当负载电流达到5.5A时，两端的电压增大到180V，铁心磁感应强度应设计在IT左右，不应太高，否则端电压升高时，磁通也会增加，铁心会产生较大的噪声。
4.4回路各点的电压、电流矢量
　　回路各点的电压和电流失量如图7所示。
5结论
　　（1）自耦式UV灯用的漏磁变压器的结构简单、紧凑，体积比双圈隔离式的变压器小，成本低，更有市场竞争力。
　　（2）铁心材料如采用低损耗、冷轧取向高Bs硅钢片，那么变压器体积还可进一步减小，而铜铁损耗也相应减小，有利于提高效率、节约能源，是下一步开发的方向。
　　（3）由于漏磁变压器温升高，所以在机箱内必须用小风扇对变压器进行强迫风冷。也可将对UV灯管吹风的鼓风机装在变压器旁，借助鼓风机的吸风，使机箱内的空气加速对流，将变压器发出的热量迅速带走。