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电源变压器的设计与制作
电源变压器的设计首先需要掌握电源变压器的基本知识:
电源变压器中常用的几个术语：
1． 初级(Primary Winding)：是指电源变压器的电源输入端。
2． 次级(Secondary Winding)：是指电源变压器的输出端。
3．额定输入电压U1：是指电源变压器的初级所接上的电压，也就是电源变压器的工作电压。对GS变压器来说，U1＝230V；对BS变压器来说，U1＝240V。
4．空载电流I0：是指电源变压器的初级接上额定输入电压U1而次级不带负载（即开路）时，流过初级的电流。I0与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其I0也可能不同。
5． 空载电压U0：是指变压器初级接受上额定输入电压U1而次级不带负载（即开路）时，次级两端的电压。U0与变压器的设计有关，即使是两个不同厂家生产的相同规格的电源变压器，其U0也可能不同。
6． 负载电流I2：是指变压器初级接上额定输入电压U1，次级接上额定负载时，流过负载的电流。
7． 负载电压U2：是指变压器初级接上额定输入电压U1，次级接上额定负载时，负载两端的电压。
8． 定输出功率P2：是指变压器在额定输入电压U1时的输出功率，它表示变压器传送能量的大小。一般来说，在相同频率下，P2越大，变压器的尺寸越大；P2相同，即使输出电压U2不同，变压器的尺寸也相同，即变压器的价格也应相差无几。
由公式P2=U2*I2可知若输出功率P2一定，若输出电压U2越高，则输出电流I2越低。举例来说，一个输出功率P2=10VA的变压器，若输出电压U2=24V，则输出电流I2= P2/U2=10VA/24V＝0.416A；若U2=12V， 则输出电流I2=0.833A。
其次，我们来讨论了一下EN61558-1 (等同于IEC61558-1)中对电源变压器的几点要求：
1．空载电压U0有一个最高限值，其数值与变压器的输出功率P2对应，如下所示：
P2≤10VA时，(U0－U2)/U2≤100%;
10VA2≤25VA时，(U0－U2)/U2≤50%;
25VA2≤63VA时，(U0－U2)/U2≤20%;
63VA2≤250VA时，(U0－U2)/U2≤15%;
250VA2≤630VA时，(U0－U2)/U2≤10%;
630VA2时，(U0－U2)/U2≤5%;
以上各式中的U2为变压器的负载电压。
2． 负载电压U2应在一定范围内，由下式考核：
|(U2-U2R)/U2R|≤5%;
若变压器带整流器，则|(U2-U2R)/U2R|≤10%
上式中U2R为额定负载电压。
举例来说，针对一个输出为24V，12VA的变压器，将变压器的初级接上额定输入电压，次级接上负载，调节负载的阻值大小，使得流过负载的电流为12VA/24V=0.5A时，测量负载两端的电压即为U2。此例中U2R＝24V，则若23.8V≤U2≤25.2V,此变压器的输出参数合格。
3． 变压器的温升ΔT
在环境温度为25℃时，将变压器的初级接上额定输入电压，次级接上额定负载，使变压器正常工作。然后将输入电压增加到1.06倍额定输入电压，待变压器达到热稳定状态后，测量变压器的温升ΔT及外壳温度。
对耐热等级为B级（130℃）的变压器来说，ΔT≤95K，外壳温度不大于80℃。
注：热稳定是指温度在1小时内的变化不超过1℃。
4． 介电强度
变压器的初级和次级之间、初级和壳体之间应能承受4200V历时1min.的交流电压而不出现击穿或闪络现象。
电源变压器是低频变压器. 下面介绍的方法适合50Hz一千瓦以下普通交流变压器的设计.
(1) 电源变压器的铁心
它一般采用硅钢片. 硅钢片越薄,功率损耗越小,效果越好.整个铁心是有许多硅钢片叠成的,每片之间要绝缘.买来的硅钢片, 表面有一层不导电的氧化膜, 有足够的绝缘能力.国产小功率变压器常用标准铁心片规格见后续文章.
(2) 电源变压器的简易设计
设计一个电源变压器,主要是根据电功率选择变压器铁心的截面积,计算初次级各线圈的圈数等.所谓铁心截面积Ｓ是指硅钢片中间舌的标准尺寸ａ和叠加起来的总厚度b的乘积.如果电源变压器的初级电压是U1,次级有n个组,各组电压分别是U21,U22,┅,U2n, 各组电流分别是I21,I22,┅,I2n,...计算步骤如下:
第一步,计算次级的功率P2.次级功率等于次级各组功率的和,也就是 P2 =U21*I21+U22*I22+┅+U2n*I2n.
第二步, 计算变压器的功率P.算出P2后.考虑到变压器的效率是η,那么初级功率P1=P2/η,η一般在0.8～0.9之间.变压器的功率等于初,次级功率之和的一半,也就是P=(P1+P2)/2
第三步, 查铁心截面积Ｓ.根据变压器功率,由式(2.1)计算出铁心截面积S,并且从国产小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择铁心片规格和叠厚.
第四步, 确定每伏圈数N.根据铁心截面积S和铁心的磁通密度B,由式(2.2)得到初级线圈的每伏圈数N.铁心的B值可以这样选取: 质量优良的硅钢片,取11000高斯;一般硅钢片,取10000高斯;铁片,取7000高斯.考到导线电阻的压降, 次级线圈每伏圈数N'应该比N增加5%～10%,也就是N'在1.05N～1.1N之间选取.
第五步,初次级线圈的计算.初级线圈N1=N*U1.次级线圈N21=N'*U21,N22=N'*U22 ┅,N2 =N'*U2n.
第六步, 查导线直径.根据各线圈的电流大小和选定的电流密度,由式(2.3)可以得到各组线圈的导线直径.一般电源变压器的电流密度可以选用3安/毫米2
第七步, 校核. 根据计算结果,算出线圈每层圈数和层数,再算出线圈的大小,看看窗口是否放得下.如果放不下,可以加大一号铁心,如果太空,可以减小一号铁心.采用国家标准GEI铁心,而且舌宽ａ和叠厚ｂ的比在1:1～1:1.7之间, 线圈是放得下的.各参数的计算公式如下:
ln(S)=0.498*ln(P)+0.22 ┅(2.1)
ln(N)=-0.494*ln(P)-0.317*ln(B)+6.439┅(2.2)
ln(D)=0.503*ln(I)-0.221┅(2.3)
变量说明:
P: 变压器的功率. 单位: 瓦(W)
B: 硅钢片的工作磁通密度. 单位: 高斯(Gs)
S: 铁心的截面积. 单位: 平方厘米(cm2）
N: 线圈的每伏圈数. 单位: 圈每伏(N/V)
I: 使用电流. 单位: 安(A)
D: 导线直径. 单位: 毫米(mm)
(二)GEI铁心规格
铁心片 铁心规格 尺 寸(mm) 中间舌片净截面积(cm2)
型 号 a*b c H h L 铁心片厚0.2mm 铁心片厚0.3mm
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GEI10 10*12.5 6.5 31 18 36 1.06 1.14
10*15 1.28 1.37
10*17.5 1.49 1.59
10*20 1.70 1.82
──────────────────────────────
GEI12 10*15 8 38 22 44 1.53 1.64
12*18 1.84 1.97
12*21 2.14 2.28
12*24 2.45 2.62
──────────────────────────────
GEI14 14*18 9 43 25 50 2.14 2.29
14*21 2.50 2.68
14*24 2.86 3.06
14*28 3.33 3.57
──────────────────────────────
GEI16 16*20 10 48 28 56 2.72 2.91
16*24 3.26 3.49
16*28 3.81 4.08
16*32 4.35 4.66
──────────────────────────────
铁心片 铁心规格 尺 寸(mm) 中间舌片净截面积(cm2)
型 号 a*b c H h L A d h1 铁心片厚0.2mm 铁心片厚0.3mm
─────────────────────────────────────
GEIB19 19*24 12 57 33 67 55 4 6 3.88 4.15
19*28 .5 .5 4.52 4.84
19*32 5.17 5.53
19*38 6.14 6.57
─────────────────────────────────────
GEIB22 22*28 14 67 39 78 64 5 7 5.25 5.62
22*33 6.17 6.61
22*38 7.11 7.61
22*44 8.23 8.81
─────────────────────────────────────
GEIB26 26*33 17 81 47 94 77 5 8.5 7.29 7.81
26*39 8.62 9.23
26*45 9.95 10.6
26*52 11.5 12.3
─────────────────────────────────────
GEIB30 30*38 19 91 53 106 87 6 9.5 9.69 10.4
30*45 11.5 12.3
30*52 13.3 14.2
30*60 15.3 16.4
─────────────────────────────────────
GEIB35 35*44 22 105 61 123 101 6 11 13.1 14.0
35*52 .5 .5 15.1 16.6
35*60 17.9 19.1
35*70 20.8 22.3
─────────────────────────────────────
GEIB40 40*50 26 124 72 144 118 6 13 17.0 18.2
40*60 .5 .5 20.4 21.8
40*70 23.8 25.5
40*80 27.2 29.1
─────────────────────────────────────
(三)变压器的铁心与绕组
为减小交变磁通在铁心中所引起的涡流损耗,铁心一般用厚为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成;并且在硅钢片两面涂以绝缘漆.信号变压器还采用坡莫合金作铁心.硅钢片有热轧和冷轧两种.
热轧硅钢片的工作磁通密度一般取0.9-1.2T,钢片常冲成"III"形,叠装成铁心.绕组套在中间的铁心柱上. 冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好,它的工作磁通密度允许达到1.8T,所以铁心体积可以缩小.它的导磁有方向性, 顺着辗轧方向的导磁性能好,故通常将冷轧硅钢片卷成环形铁心,然后切成两 半C形, 将绕组分别套在铁心柱上以后, 再将两半铁心粘成整体.
变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成.原边绕组接输入电压,副边绕组接负载.原边绕组只有一个,副边绕组为一个或多个.原副边绕组套装在同一铁心柱上.套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联.
附:变压器原副边绕组要套在同一铁心柱的原因
把原副边绕组套在同一铁心柱上时,由于原副边绕组紧挨在一起(间隙实际上很小,它等于原副边绕组之间绝缘纸的厚度)部分漏磁通在空气中的路径大受限制,因此漏磁通小.而边绕组没有套在原边绕组上时,漏磁通在空气中可以自由经过,无空间限制,因此在同样的磁势下漏磁通就大.
将原副边绕组套在一起的合理之处即在于漏抗压降小,对变压 器运行有利.因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化的,减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化.为了使变压器副边电压比较稳定,总是设法减小变压器的漏抗.
如果把变压器的原副边绕组分开放置, 则漏抗将大大增加,以致负载变动时副边电压变化很大, 这样的变压器就不能满足使用上 的要求.
电源变压器简易设计(四)变压器的铭牌与使用
使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据,以避免因使用不当而不能充分利用,甚至损坏.变压器铭牌上的主要额定数据有:
1.额定电压U1和U2
原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压.使用时原边电压不允许超过额定值(一般规定电压额定值允许变化±5%).考虑有载运行时变压器有内阻抗压降,所以副边额定输出电压U2应较负载所需的额定电压高5-10%.对于负载是固定的电源变压器, 副边额定电压U2有时是指负载下的输出电压.
附:输入电压不能超过额定电压的原因
变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁心的磁化曲线,它是一条具有饱和特性的非线性曲线.当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时, 磁化曲线近似为线形;超过此值后,主磁通就逐渐趋向饱和.此时,如果再增加磁通, 即增加U1,则电流就会急剧增加,这样变压器就会因过热而马上烧毁.因此,在使用变压器时,必须注意变压器的额定电压和电源电压要一致.
2.额定电流I1和I2
额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流,是根据绝缘材料允许的温度定下来的.由于铜耗,电流会发热.电流越大,发热越厉害,温度就越高.在额定电流下,材料老化比较慢.但如果实际的电流大大超过额定值,变压器发热就很厉害,绝缘迅速老化,变压器的寿命就要大大缩短.
3.额定容量S
额定容量是视在功率,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积.它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率,后者和负载的功率因数有关.所以输出功率在数值上比额定容量小.
4.额定频率
使用变压器时,还要注意它对电源频率的要求.因为在变压器中,在设计变压器时,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的. 如果乱用频率, 就有可能变压器损坏.例如一台设计用50Hz,220V电源的变压器,若用25Hz,220V电源,则磁通将要增加一倍,由于磁路饱和,激磁电流剧增,变压器马上烧毁.所以在降频使用时,电源电压必须与频率成正比地下降.另外,在维持磁通不变的条件下,也不能用到400Hz,1600V的电源上.此时虽不存在磁路的饱和问题,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾.因为铁耗与频率成1.5-2次方的关系.频率增大时, 铁耗增加很多. 由于这个原因, 一般对于铁心采用0.35mm厚的热轧硅钢片的变压器,50Hz时的磁通密度可达0.9-1T,而400Hz时的磁通密度只能取到0.4T.此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的,低压变压器允许的工作电压不超过300-500V. 所以在升频使用时,电源电压不能与频率成正比的增加, 而只能适当地增加.
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