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关于变压器的绕制你又了解多少呢?

2018年10月07日 11:30 网络整理 作者:工程师谭军 用户评论(0

  变压器
 
  变压器(Transformer)是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能有:电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压(磁饱和变压器)等。按用途可以分为:电力变压器和特殊变压器(电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等)。电路符号常用T当作编号的开头。例: T01, T201等。
 
  工作原理
 
  变压器由铁芯(或磁芯)和线圈组成,线圈有两个或两个以上的绕组,其中接电源的绕组叫初级线圈,其余的绕组叫次级线圈。它可以变换交流电压、电流和阻抗。最简单的铁心变压器由一个软磁材料做成的铁心及套在铁心上的两个匝数不等的线圈构成,如图所示。
 
  铁心的作用是加强两个线圈间的磁耦合。为了减少铁内涡流和磁滞损耗,铁心由涂漆的硅钢片叠压而成;两个线圈之间没有电的联系,线圈由绝缘铜线(或铝线)绕成。一个线圈接交流电源称为初级线圈(或原线圈),另一个线圈接用电器称为次级线圈(或副线圈)。实际的变压器是很复杂的,不可避免地存在铜损(线圈电阻发热)、铁损(铁心发热)和漏磁(经空气闭合的磁感应线)等,为了简化讨论这里只介绍理想变压器。理想变压器成立的条件是:忽略漏磁通,忽略原、副线圈的电阻,忽略铁心的损耗,忽略空载电流(副线圈开路原线圈线圈中的电流)。例如电力变压器在满载运行时(副线圈输出额定功率)即接近理想变压器情况。
 
  变压器是利用电磁感应原理制成的静止用电器。当变压器的原线圈接在交流电源上时,铁心中便产生交变磁通,交变磁通用φ表示。原、副线圈中的φ是相同的,φ也是简谐函数,表为φ=φmsinωt。由法拉第电磁感应定律可知,原、副线圈中的感应电动势为e1=-N1dφ/dt、e2=-N2dφ/dt。式中N1、N2为原、副线圈的匝数。由图可知U1=-e1,U2=e2(原线圈物理量用下角标1表示,副线圈物理量用下角标2表示),其复有效值为U1=-E1=jN1ωΦ、U2=E2=-jN2ωΦ,令k=N1/N2,称变压器的变比。由上式可得U1/ U2=-N1/N2=-k,即变压器原、副线圈电压有效值之比,等于其匝数比而且原、副线圈电压的位相差为π。
 
  进而得出:
 
  U1/U2=N1/N2
 
  在空载电流可以忽略的情况下,有I1/ I2=-N2/N1,即原、副线圈电流有效值大小与其匝数成反比,且相位差π。
 
  进而可得
 
  I1/ I2=N2/N1
 
  理想变压器原、副线圈的功率相等P1=P2。说明理想变压器本身无功率损耗。实际变压器总存在损耗,其效率为η=P2/P1。电力变压器的效率很高,可达90%以上。 [1]
 
  主要分类
 
  一般常用变压器的分类可归纳如下 [2] :
 
  1、按相数分:
 
  1)单相变压器:用于单相负荷和三相变压器组。
 
  2)三相变压器:用于三相系统的升、降电压。
 
  2、按冷却方式分:
 
  1)干式变压器:依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却,多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。
 
  2)油浸式变压器:依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
 
  3、按用途分:
 
  1)电力变压器:用于输配电系统的升、降电压。
 
  2)仪用变压器:如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。
 
  3)试验变压器:能产生高压,对电气设备进行高压试验。
 
  4)特种变压器:如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。
 
  4、按绕组形式分:
 
  1)双绕组变压器:用于连接电力系统中的两个电压等级。
 
  2)三绕组变压器:一般用于电力系统区域变电站中,连接三个电压等级。
 
  3)自耦变电器:用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。
 
  5、按铁芯形式分:
 
  1)芯式变压器:用于高压的电力变压器。
 
  2)非晶合金变压器:非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料,空载电流下降约80%,是节能效果较理想的配电变压器,特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低地方。
 
  3)壳式变压器:用于大电流的特殊变压器,如电炉变压器、电焊变压器;或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
 
  特征参数
 
  工作频率
 
  变压器铁芯损耗与频率关系很大,故应根据使用频率来设计和使用,这种频率称工作频率。
 
  额定功率
 
  在规定的频率和电压下,变压器能长期工作而不超过规定温升的输出功率。
 
  额定电压
 
  指在变压器的线圈上所允许施加的电压,工作时不得大于规定值。
 
  电压比
 
  指变压器初级电压和次级电压的比值,有空载电压比和负载电压比的区别。
 
  空载电流
 
  变压器次级开路时,初级仍有一定的电流,这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流(产生磁通)和铁损电流(由铁芯损耗引起)组成。对于50Hz电源变压器而言,空载电流基本上等于磁化电流。
 
  空载损耗
 
  指变压器次级开路时,在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗,其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗(铜损),这部分损耗很小。
 
  效率
 
  指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大,效率就愈高。
 
  绝缘电阻
 
  表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关.
关于变压器的绕制你又了解多少呢?

  一、设计2kVA以下的电源变压器及音频变压器

  一些电子线路设计人员及电子、电工爱好者经常碰到设计好的变压器,绕制时却绕不下;另外,设计的变压器,在带足负载后,次级电压明显下降。还有一部分设计的变压器的性能良好,但成本较高而没有商业价值。笔者在这里谈谈变压器的设计方法与技巧。

  ●变压器截面积确定:

  大家知道铁芯截面积是根据变压器总功率“P”确定的(A=1.25*SQRT(P)。在设计时,假定负载是恒定不变的,则其铁芯截面积通常可选取计算的理论值。如果其负载是变化比较大的,例如,音频、功放电源等变压器的截面积,则应适当大于理论计算值.这样才能保证有足够的功率输出能力(因为一旦截面积确定后,就不可能再选择功率余量了)。如何确定这些变压器的“P”值呢?应该计算出使用时负荷的最大功率。并且估算出某些变压器在使用中需要输出的最大功率。特别是音频变压器、功放电路的电源变压器等(笔者测试过多种功放电路的音频变压器、功放电路的电源变压器;音频变压器在大动态下明显失真,电源变压器在大动态下次级电压明显下降。经测算,截面积不够是产生上述现象的主要原因之一)。

  ●每伏匝数的确定:

  变压器的匝数主要取决于铁芯截面积和硅钢片的质量,通常从参考书籍计算出的每伏匝数是比较多的,经实验证明,从理论设计的数值上,将每伏匝数降低10%~15%是没有问题的。例如,一只35W的电源变压器,根据理论计算(中矽钢片8500高斯)每伏匝数为7.2匝,而实际每伏只需6匝就可以了,且这样绕制的变压器空载电流在26mA左右。

  笔者和同行在解剖过日本生产的家用电器上的电源变压器时发现。他们生产的变压器每伏匝数比我们国产的变压器线圈匝数要少得多,同样35W的电源变压器每伏匝数只有4.8匝,空载电流45mA左右。通过适当减少匝数。绕制出来的变压器不但可以降低内阻,而且避免了采用普通规格硅钢片时经常出现的绕不下的麻烦。还节省了成本,提高了性价比。

  ●漆包线的线径确定:

  线径是根据负载电流而确定的。由于在不同的情况下,漆包线通载电流差距较大,故确定线径的幅度也较大,一般在额定的电流下连续工作的变压器,其工作电流基本不变,但在散热条件不理想,且环境温度比较高时,应按电流密度为2A/mm2选取漆包线的线经。如果变压器连续工作时负载电流基本不变,但本身散热条件很好,环境温度又不高,漆包线按电流密度2.5A/mm2选取线径:假如一般时段工作电流只有最大电流的1/2。漆包线按电流密度3—3.5A/mm2选取线径。音频变压器的漆包线按电流密度3.5~4A/mm2选取线径。这样,因时制宜取材,既可保证质量又可大大降低成本。

  二、两种特殊变压器设计方法与技巧

  ●高压工频变压器:

  这类变压器往往工作电压几千伏,但电流只有毫安至几十毫安,由于电压较高,次级的绝缘要求很高,在绕制时,常采用层层垫纸,这按通常方法设计且采用普通规格化的硅钢片是绕不下的。故应选用窗口较大的硅钢片,另外适当增加叠厚,用加大截面积的办法来减少初、次级的匝数。

  ●多次级的变压器:

  这类变压器的次级多数在七八组以上.电流大小不等,但每组不一定同时接负载,所以计算功率不一定全部算进去,只要将同时带负载的次级绕组计算出来即可。同样应选窗口较大的硅钢片,初级线圈的线径应根据次级各组同时使用的实际功率确定。采用以上的方法设计。既能保证性能又可以降低生产的成本。


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( 发表人:沈丹 )

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