工頻變壓器:低頻變壓器-中文百科頻道

簡介

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。工頻變壓器被大家稱為低頻變壓器,以示與開關電源用高頻變壓器有區别，工頻變壓器在過去傳統的電源中大量使用，而這些電源的穩定方式又是采用線性調節的，所以那些傳統的電源又被稱為線性電源。

工頻變壓器的原理非常簡單，理論上推導出相關計算式也不複雜,所以大家形成了看法:太簡單了，就那三、四個計算公式,沒什麼可研究的.設計時隻要根據那些簡單的公式,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:根據計算式,可以很快就計算出結果,解決了問題;值得研究的地方是:你是否了解自己設計出的産品性能?設計合理嗎?設計優化過嗎?經濟性如何?

舉個例子吧,根據功率選鐵芯規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驗公式去選取:

S=K·Sqrt(P)(1)

定下S後,然後進行其它的計算.這确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計方法,大多數情況下存在着浪費.這種設計方法對業餘愛好者來說用不着讨論(隻是偶爾設計一個變壓器自己用),但對企業來說,值得讨論,産品中大批量采用這種設計時,體現的是降低了經濟效益。

設計原理

工頻變壓器的原理非常簡單，理論上推導出相關計算式也不複雜,所以大家形成了看法:太簡單了，就那三、四個計算公式,沒什麼可研究的.設計時隻要根據那些簡單的公式,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:根據計算式,可以很快就計算出結果,解決了問題;值得研究的地方是:你是否了解自己設計出的産品性能?設計合理嗎?設計優化過嗎?經濟性如何?

舉個例子吧,根據功率選鐵芯規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驗公式去取:S=K·Sqrt(P)

(1)定下S後,然後進行其它的計算.這确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計方法,大多數情況下存在着浪費.這種設計方法對業餘愛好者來說用不着讨論(隻是偶爾設計一個變壓器自己用),但對企業來說,值得讨論,産品中大批量采用這種設計時,體現的是降低了經濟效益。

那麼,在專業的場合,比如變壓器生産企業,他們是怎樣的方法?原理上,是根據導線在窗口中的占用系數去選取鐵芯規格,但這樣的計算很繁,而且關系不簡單,比如相關計算式是:P=0.0222·f·B·J·Sc·Sm

(2)當電流密度由電壓調整率決定時,計算式為：P=0.0555(f·f)(B·B)(Sc·Sc)·Sm·ΔU/(Z·Lm)

(3)這樣複雜的關系,要人工拿出一個設計方案是非常頭疼的,于是,專家們就根據實際情況,将這些關系結合數據編制成一系列表,設計工程師隻要根據不同的設計指标查對應的表,就可以得到一組實用的數據,比如根據功率及其它指标查表,得到鐵芯規格等。

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,再結合經驗的積累,可以對方案做适當判斷,再作出優化.即使如此,這種方法也存在着兩個大的不足,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計出的産品參數,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.好在現在的電腦應用普及了,專門的軟件也有了,可讓電腦去做呆闆的計算工作,工程師隻關注方案的設計和優化。

再比如,對于電流密度的選取,簡單設計中一般建議為2.5A~3A/(mm·mm),但根據(3)式,小功率調整率大時,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,我在那裡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.需要強調說明的是,電流密度不是随便可以提高的,是和設計時的指标聯系在一起計算給出的,随便提高往往導緻性能惡化,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,都說國外的經濟增長如何如何節約能源、節約原材料,難道那不是一點一點摳出來的?開關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産和設計,就必須認真做好自己的本行,搞清自己的工作相關内容.設想一下,某企業産品需要各類變壓器,欲招聘一工程師從事設計,給幾個實例讓當場設計,甲、乙兩工程師設計的結果都滿足要求,但甲的成本平均比乙的低10%,你說企業會錄用誰?從節約能源及原材料的角度。

在這裡與大家分享：

1、減少銅的用量,有兩個方面可以實現,一是減少線徑這就意味着銅阻增大,銅損損耗就會增大.二是減少圈數,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态,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态造成的電力浪費以數十億元計。

2、變壓器設計時應使銅損和鐵損相等,這樣變壓器的損耗最低,工作最穩定,如果一個變壓器設計完後,由于為節省銅線,而采取小号的線徑和減少圈數的方法,使得鐵心窗口還有很多的空間餘量,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.根據現在的價格,鐵心的成本要高于銅線的成本。

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

設計選材

從節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，一是減少線徑這就意味着銅阻增大，銅損損耗就會增大。二是減少圈數，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态，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态造成的電力浪費以數十億元計。

2、變壓器設計時應使銅損和鐵損相等，這樣變壓器的損耗最低，工作最穩定，如果一個變壓器設計完後，由于為節省銅線，而采取小号的線徑和減少圈數的方法，使得鐵心窗口還有很多的空間餘量，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。根據現在的價格，鐵心的成本要高于銅線的成本。

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

工頻變壓器的設計繞制

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

1.鐵芯的選擇

根據自己需要的功率選擇合适的鐵芯是繞制變壓器的第一步。如果鐵芯(矽鋼片)選用過大，将導緻變壓器體積增大，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。

為了确定鐵芯尺寸，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以下損耗約20～30%，50W以下損耗約15～20%，100w以下損耗約10～15%，100W以上損耗約10%以下，上述損耗參數是關于普通插片式變壓器的。如果按照R型變壓器、c型變壓器、環形變壓器的順序，損耗參數依次減小。

根據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的關系用下述經驗公式選用：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，随變壓器Pl大小不同選用不同的值。同時考慮到矽鋼片之間的絕緣漆、空隙的影響，K與P1關系為：

P1K值

10VA以下2～2.2

50VA以下2～1.5

100VA以下1.5～1.4

2.每伏匝數計算

選定鐵芯s以後。再确定每伏匝數，以使繞制的變壓器有台理的激磁電流。常用的經驗公式為：N=(40～55)/S，N為每伏匝數。

根據不同質量的矽鋼片選取系數40～55。比較高級的高矽鋼，用眼觀察表面有鱗片結晶.且極脆，隻彎折1～2次即斷裂，斷處參差不齊，系數取為40。若矽鋼片表面光潔，彎折4～5次仍不易斷，斷面為整齊直線，系數取50以上。

求出每伏匝數後乘以220V即為初級匝數，乘以次級要求電壓數即為次級各繞組匝數。因為導線有電阻，電流流過時會有電壓降，求出的次級匝數應增加5～10%(根據負載電流選擇，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，忌用不幹膠膠帶。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。

繞好後.插矽鋼片也需注意、必須插緊，以避免産生電磁噪音。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。最後的4～5片可從中間插入，以免損壞線包。然後進行烘幹、浸漆。對50W以下的變壓器可采取内熱法烘幹。方法是：将變壓器所有次級繞組短路，與60～100W/220V燈泡串聯接入市電，使其自動升溫。燈泡越大溫度越高，但在密閉狀态下，使其溫度在80度以下較安全。