工頻變壓器

工頻變壓器的原理非常簡單，理論上推導出相關(guān)計算式也不復雜,所以大家形成了看法:太簡單了，就那三、四個計算公式,沒什么可研究的.設(shè)計時只要根據(jù)那些簡單的公式,立馬成功。

我認為上面的認識既有可取之處,也有值得研究的地方.可取之處:根據(jù)計算式,可以很快就計算出結(jié)果,解決了問題;值得研究的地方是:你是否了解自己設(shè)計出的產(chǎn)品性能?設(shè)計合理嗎?設(shè)計優(yōu)化過嗎?經(jīng)濟性如何?

舉個例子吧,根據(jù)功率選鐵芯規(guī)格就是個很繁雜的問題,因為涉及的因素比較多.有些書推薦采用下面的半經(jīng)驗公式去選取:

S = K·Sqrt(P) (1)

定下S后,然后進行其它的計算.這確實是一種實用的方法,但也要認識到,這也是一種簡化了的設(shè)計方法,大多數(shù)情況下存在著浪費.這種設(shè)計方法對業(yè)余愛好者來說用不著討論(只是偶爾設(shè)計一個變壓器自己用),但對企業(yè)來說,值得討論,產(chǎn)品中大批量采用這種設(shè)計時,體現(xiàn)的是降低了經(jīng)濟效益。

那么,在專業(yè)的場合,比如變壓器生產(chǎn)企業(yè),他們是怎樣的方法?

原理上,是根據(jù)導線在窗口中的占用系數(shù)去選取鐵芯規(guī)格,但這樣的計算很繁,而且關(guān)系不簡單,比如相關(guān)計算式是:

P = 0.0222·f·B·J·Sc·Sm (2)

當電流密度由電壓調(diào)整率決定時,計算式為:

P = 0.0555(f·f)(B·B)(Sc·Sc)·Sm·ΔU/(Z·Lm) (3)

這樣復雜的關(guān)系,要人工拿出一個設(shè)計方案是非常頭疼的,于是,專家們就根據(jù)實際情況,將這些關(guān)系結(jié)合數(shù)據(jù)編制成一系列表,設(shè)計工程師只要根據(jù)不同的設(shè)計指標查對應的表,就可以得到一組實用的數(shù)據(jù),比如根據(jù)功率及其它指標查表,得到鐵芯規(guī)格等。

這種方法帶來的便利是如此之大,使得可以較快地拿出一些方案,再結(jié)合經(jīng)驗的積累,可以對方案做適當判斷,再作出優(yōu)化.即使如此,這種方法也存在著兩個大的不足,一是專家們不可能作出所有的系列表,二是工程師們要拿出比較完整的設(shè)計出的產(chǎn)品參數(shù),也得花費大量的時間去一一計算,一天要搞幾個方案出來工程師的頭肯定大了.好在現(xiàn)在的電腦應用普及了,專門的軟件也有了,可讓電腦去做呆板的計算工作,工程師只關(guān)注方案的設(shè)計和優(yōu)化。

再比如,對于電流密度的選取,簡單設(shè)計中一般建議為2.5A~3A/(mm·mm), 但根據(jù)(3)式,小功率調(diào)整率大時,電流密度可以取的很大,能達到8~9A/(mm·mm)[參見本欄"會做低頻EI型變壓器的進來聊一聊"貼,我在那里給樓主提供了六個方案],這時的溫升仍然不大,變壓器可以安全工作,這種設(shè)計在保證安全的前提下,一般可以減少用銅量,在銅價很高的情況下,降低了成本; 而大功率調(diào)整率受限時,電流密度有可能小于2A/(mm·mm),否則可能使得變壓器溫升過高燒毀變壓器.需要強調(diào)說明的是,電流密度不是隨便可以提高的,是和設(shè)計時的指標聯(lián)系在一起計算給出的,隨便提高往往導致性能惡化,甚至燒毀變壓器。

也許有人認為:何必那樣斤斤計較?我不這樣認為,都說國外的經(jīng)濟增長如何如何節(jié)約能源、節(jié)約原材料,難道那不是一點一點摳出來的?開關(guān)電源的效率從何而來,不也是一點一點研究出來的嗎?既然道理如此,如果真的從事工頻變壓器生產(chǎn)和設(shè)計,就必須認真做好自己的本行,搞清自己的工作相關(guān)內(nèi)容.設(shè)想一下,某企業(yè)產(chǎn)品需要各類變壓器,欲招聘一工程師從事設(shè)計,給幾個實例讓當場設(shè)計,甲、乙兩工程師設(shè)計的結(jié)果都滿足要求,但甲的成本平均比乙的低10%, 你說企業(yè)會錄用誰?

從節(jié)約能源及原材料的角度，在這里與大家分享:

1、減少銅的用量,有兩個方面可以實現(xiàn),一是減少線徑這就意味著銅阻增大,銅損損耗就會增大.二是減少圈數(shù),就會使空載電流增大,同樣空載損耗就會加大,如果變壓器長時間的處于通電待機狀態(tài),電力資源的浪費是非常大的.每年我國因為家用電器的長期處于待機通電狀態(tài)造成的電力浪費以數(shù)十億元計。

2、變壓器設(shè)計時應使銅損和鐵損相等,這樣變壓器的損耗最低,工作最穩(wěn)定,如果一個變壓器設(shè)計完后,由于為節(jié)省銅線,而采取小號的線徑和減少圈數(shù)的方法,使得鐵心窗口還有很多的空間余量,這樣就說明鐵心的尺寸選擇的過大,造成了鐵心的浪費,由于鐵心的規(guī)格大,繞線的平均周長也大,同樣會造成銅線的用量增加.根據(jù)現(xiàn)在的價格,鐵心的成本要高于銅線的成本。

所以在設(shè)計時,在保證性能滿足客戶的要求的情況下,應盡量選擇小號的鐵心,能用41的,就絕不用48的.關(guān)于空載電流,從節(jié)省待機的損耗上考慮,還是盡量低的好。

1、磁性材料的差別:

工頻變壓器采用硅鋼片作為磁芯材料的;高頻變壓器是采用鐵氧體磁芯材料。

2、工作頻率的差別:

工頻變壓器的工作頻率一般是指50HZ或60HZ的電源頻率;高頻變壓器的工作頻率一般都在1KHZ以上，甚至幾十KHZ或者上百KHZ，應用范圍不同頻率也不一樣。

3、應用方面:

工頻變壓器一般多用于將220V或者110V工頻高壓變換成工頻低壓，供小家電的電路板供電使用(如豆?jié){機、抽油煙機、音響等等，應用范圍比較廣泛;高頻變壓器用途就廣泛了(如;手機充電器，電子鎮(zhèn)流器，開關(guān)電源，彩電電源，電腦電源，液晶驅(qū)動及電源等等許多場合都有使用)。

工頻一般指市電的頻率,在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的。而可以改變這個頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。

從節(jié)約能源及原材料的角度，可采取以下建議:

1、減少銅的用量，有兩個方面可以實現(xiàn)，一是減少線徑這就意味著銅阻增大，銅損損耗就會增大。二是減少圈數(shù)，就會使空載電流增大，同樣空載損耗就會加大，如果變壓器長時間的處于通電待機狀態(tài)，電力資源的浪費是非常大的。每年我國因為家用電器的長期處于待機通電狀態(tài)造成的電力浪費以數(shù)十億元計。

2、變壓器設(shè)計時應使銅損和鐵損相等，這樣變壓器的損耗最低，工作最穩(wěn)定，如果一個變壓器設(shè)計完后，由于為節(jié)省銅線，而采取小號的線徑和減少圈數(shù)的方法，使得鐵心窗口還有很多的空間余量，這樣就說明鐵心的尺寸選擇的過大，造成了鐵心的浪費，由于鐵心的規(guī)格大，繞線的平均周長也大，同樣會造成銅線的用量增加。根據(jù)現(xiàn)在的價格，鐵心的成本要高于銅線的成本。

所以在設(shè)計時，在保證性能滿足客戶的要求的情況下，應盡量選擇小號的鐵心，能用41的，就絕不用48的。關(guān)于空載電流，從節(jié)省待機的損耗上考慮，還是盡量低的好。

工頻變壓器的設(shè)計繞制

各種家用電器中，工頻變壓器無論是自行設(shè)計繞制，還是修復燒壞的變壓器，都涉及到部分簡單的計算，教科書上的計算公式雖然嚴謹，但實際運用時顯得復雜，不甚方便。本文介紹實用的變壓器計算的經(jīng)驗公式。

1.鐵芯的選擇

根據(jù)自己需要的功率選擇合適的鐵芯是繞制變壓器的第一步。如果鐵芯(硅鋼片)選用過大，將導致變壓器體積增大，成本升高，但鐵芯過小，會增大變壓器的損耗，同時帶負載能力變差。

為了確定鐵芯尺寸，首先要算出變壓器次級的實際消耗功率，它等于變壓器次級各繞組電壓、負載電流的乘積之和。如果是全波整流變壓器，應以變壓器次級電壓的1/2計算。次級繞組消耗功率加入變壓器本身損耗功率，即為變壓器初級視在功率。一般次級繞組功率在10w以下的變壓器，其本身損耗可達次級實際消耗功率的30~50%，其效率僅為50~70%。次級繞組功率在30W以下?lián)p耗約20~30%，50W以下?lián)p耗約15~20%，100w以下?lián)p耗約10~15%，100W以上損耗約10%以下，上述損耗參數(shù)是關(guān)于普通插片式變壓器的。如果按照R型變壓器、c型變壓器、環(huán)形變壓器的順序，損耗參數(shù)依次減小。

根據(jù)上述計算的變壓器初級總功率可以選定鐵芯。鐵芯面積S=a×b(cm2).如附圖所示。變壓器視在功率與s的關(guān)系用下述經(jīng)驗公式選用:s=K√P1

P1為變壓器初級總視在功率，單位為:VA(伏安)，s為應選鐵芯截面積，K為一系數(shù)，隨變壓器Pl大小不同選用不同的值。同時考慮到硅鋼片之間的絕緣漆、空隙的影響，K與P1關(guān)系為:

P1 K值

10VA以下 2~2.2

50VA以下 2~1.5

100VA以下 1.5~1.4

2.每伏匝數(shù)計算

選定鐵芯s以后。再確定每伏匝數(shù)，以使繞制的變壓器有臺理的激磁電流。常用的經(jīng)驗公式為:N=(40~55)/S，N為每伏匝數(shù)。

根據(jù)不同質(zhì)量的硅鋼片選取系數(shù)40~55。比較高級的高硅鋼，用眼觀察表面有鱗片結(jié)晶.且極脆，只彎折1~2次即斷裂，斷處參差不齊，系數(shù)取為40。若硅鋼片表面光潔，彎折4~5次仍不易斷，斷面為整齊直線，系數(shù)取50以上。

求出每伏匝數(shù)后乘以220V即為初級匝數(shù)，乘以次級要求電壓數(shù)即為次級各繞組匝數(shù)。因為導線有電阻，電流流過時會有電壓降，求出的次級匝數(shù)應增加5~10%(根據(jù)負載電流選擇，電流大者可增加較大比例)。

3.導線直徑的選擇

根據(jù)各繞組負載電流的大小，選擇不同直徑的漆包線。可用下列經(jīng)驗公式求出:

d=O.8√I，

單位:l--A.d(導線直徑)--mm。

4.繞制方法及注意事項

由于現(xiàn)在的漆包線絕緣強度大幅度提高，因此對50W以下的小功率變壓器大多采用阻燃塑料骨架疊繞法，但必須選用高強度漆包線，且繞制時仍應逐圈排線，嚴禁大幅度斜跨，以免增大導線間電位差。

對50W以上的變壓器，由于每伏匝數(shù)減少，導線間電壓差較高，最好采取每層墊絕緣紙(0.05mm厚的電纜紙、牛皮紙)的方法，在繞制中應絕對避免上層導線滑入下層。各繞組間絕緣應視繞組電壓決定。初次級之間應墊4層以上0.1mm的電纜紙，忌用不干膠膠帶。上述疊繞法的小功率變壓器，如果次級有兩組以上繞組，每組之間也應用兩層電纜紙絕緣。如果變壓器是用在音響或視聽器材中.在多層繞制法中初次級之間應墊入靜電屏蔽層。

繞好后.插硅鋼片也需注意、必須插緊，以避免產(chǎn)生電磁噪音。無論雙E形還是EI形，其端口要緊密接觸.宜交叉插，不能有空隙。最后的4~5片可從中間插入，以免損壞線包。然后進行烘干、浸漆。對50W以下的變壓器可采取內(nèi)熱法烘干。方法是:將變壓器所有次級繞組短路，與60~100W/220V燈泡串聯(lián)接入市電，使其自動升溫。燈泡越大溫度越高，但在密閉狀態(tài)下，使其溫度在80度以下較安全。