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電源變壓器的設計與制作
電源變壓器的設計首先需要掌握電源變壓器的基本知識:
電源變壓器中常用的幾個術語：
1． 初級(Primary Winding)：是指電源變壓器的電源輸入端。
2． 次級(Secondary Winding)：是指電源變壓器的輸出端。
3．額定輸入電壓U1：是指電源變壓器的初級所接上的電壓，也就是電源變壓器的工作電壓。對GS變壓器來說，U1＝230V；對BS變壓器來說，U1＝240V。
4．空載電流I0：是指電源變壓器的初級接上額定輸入電壓U1而次級不帶負載（即開路）時，流過初級的電流。I0與變壓器的設計有關，即使是兩個不同廠家生產的相同規格的電源變壓器，其I0也可能不同。
5． 空載電壓U0：是指變壓器初級接受上額定輸入電壓U1而次級不帶負載（即開路）時，次級兩端的電壓。U0與變壓器的設計有關，即使是兩個不同廠家生產的相同規格的電源變壓器，其U0也可能不同。
6． 負載電流I2：是指變壓器初級接上額定輸入電壓U1，次級接上額定負載時，流過負載的電流。
7． 負載電壓U2：是指變壓器初級接上額定輸入電壓U1，次級接上額定負載時，負載兩端的電壓。
8． 定輸出功率P2：是指變壓器在額定輸入電壓U1時的輸出功率，它表示變壓器傳送能量的大小。一般來說，在相同頻率下，P2越大，變壓器的尺寸越大；P2相同，即使輸出電壓U2不同，變壓器的尺寸也相同，即變壓器的價格也應相差無幾。
由公式P2=U2*I2可知若輸出功率P2一定，若輸出電壓U2越高，則輸出電流I2越低。舉例來說，一個輸出功率P2=10VA的變壓器，若輸出電壓U2=24V，則輸出電流I2= P2/U2=10VA/24V＝0.416A；若U2=12V， 則輸出電流I2=0.833A。
其次，我們來討論了一下EN61558-1 (等同于IEC61558-1)中對電源變壓器的幾點要求：
1．空載電壓U0有一個最高限值，其數值與變壓器的輸出功率P2對應，如下所示：
P2≤10VA時，(U0－U2)/U2≤100%;
10VA2≤25VA時，(U0－U2)/U2≤50%;
25VA2≤63VA時，(U0－U2)/U2≤20%;
63VA2≤250VA時，(U0－U2)/U2≤15%;
250VA2≤630VA時，(U0－U2)/U2≤10%;
630VA2時，(U0－U2)/U2≤5%;
以上各式中的U2為變壓器的負載電壓。
2． 負載電壓U2應在一定范圍內，由下式考核：
|(U2-U2R)/U2R|≤5%;
若變壓器帶整流器，則|(U2-U2R)/U2R|≤10%
上式中U2R為額定負載電壓。
舉例來說，針對一個輸出為24V，12VA的變壓器，將變壓器的初級接上額定輸入電壓，次級接上負載，調節負載的阻值大小，使得流過負載的電流為12VA/24V=0.5A時，測量負載兩端的電壓即為U2。此例中U2R＝24V，則若23.8V≤U2≤25.2V,此變壓器的輸出參數合格。
3． 變壓器的溫升ΔT
在環境溫度為25℃時，將變壓器的初級接上額定輸入電壓，次級接上額定負載，使變壓器正常工作。然后將輸入電壓增加到1.06倍額定輸入電壓，待變壓器達到熱穩定狀態后，測量變壓器的溫升ΔT及外殼溫度。
對耐熱等級為B級（130℃）的變壓器來說，ΔT≤95K，外殼溫度不大于80℃。
注：熱穩定是指溫度在1小時內的變化不超過1℃。
4． 介電強度
變壓器的初級和次級之間、初級和殼體之間應能承受4200V歷時1min.的交流電壓而不出現擊穿或閃絡現象。
電源變壓器是低頻變壓器. 下面介紹的方法適合50Hz一千瓦以下普通交流變壓器的設計.
(1) 電源變壓器的鐵心
它一般采用硅鋼片. 硅鋼片越薄,功率損耗越小,效果越好.整個鐵心是有許多硅鋼片疊成的,每片之間要絕緣.買來的硅鋼片, 表面有一層不導電的氧化膜, 有足夠的絕緣能力.國產小功率變壓器常用標準鐵心片規格見后續文章.
(2) 電源變壓器的簡易設計
設計一個電源變壓器,主要是根據電功率選擇變壓器鐵心的截面積,計算初次級各線圈的圈數等.所謂鐵心截面積Ｓ是指硅鋼片中間舌的標準尺寸ａ和疊加起來的總厚度b的乘積.如果電源變壓器的初級電壓是U1,次級有n個組,各組電壓分別是U21,U22,┅,U2n, 各組電流分別是I21,I22,┅,I2n,...計算步驟如下:
第一步,計算次級的功率P2.次級功率等于次級各組功率的和,也就是 P2 =U21*I21+U22*I22+┅+U2n*I2n.
第二步, 計算變壓器的功率P.算出P2后.考慮到變壓器的效率是η,那么初級功率P1=P2/η,η一般在0.8～0.9之間.變壓器的功率等于初,次級功率之和的一半,也就是P=(P1+P2)/2
第三步, 查鐵心截面積Ｓ.根據變壓器功率,由式(2.1)計算出鐵心截面積S,并且從國產小功率變壓器常用的標準鐵心片規格表中選擇鐵心片規格和疊厚.
第四步, 確定每伏圈數N.根據鐵心截面積S和鐵心的磁通密度B,由式(2.2)得到初級線圈的每伏圈數N.鐵心的B值可以這樣選取: 質量優良的硅鋼片,取11000高斯;一般硅鋼片,取10000高斯;鐵片,取7000高斯.考到導線電阻的壓降, 次級線圈每伏圈數N'應該比N增加5%～10%,也就是N'在1.05N～1.1N之間選取.
第五步,初次級線圈的計算.初級線圈N1=N*U1.次級線圈N21=N'*U21,N22=N'*U22 ┅,N2 =N'*U2n.
第六步, 查導線直徑.根據各線圈的電流大小和選定的電流密度,由式(2.3)可以得到各組線圈的導線直徑.一般電源變壓器的電流密度可以選用3安/毫米2
第七步, 校核. 根據計算結果,算出線圈每層圈數和層數,再算出線圈的大小,看看窗口是否放得下.如果放不下,可以加大一號鐵心,如果太空,可以減小一號鐵心.采用國家標準GEI鐵心,而且舌寬ａ和疊厚ｂ的比在1:1～1:1.7之間, 線圈是放得下的.各參數的計算公式如下:
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)
變量說明:
P: 變壓器的功率. 單位: 瓦(W)
B: 硅鋼片的工作磁通密度. 單位: 高斯(Gs)
S: 鐵心的截面積. 單位: 平方厘米(cm2）
N: 線圈的每伏圈數. 單位: 圈每伏(N/V)
I: 使用電流. 單位: 安(A)
D: 導線直徑. 單位: 毫米(mm)
(二)GEI鐵心規格
鐵心片 鐵心規格 尺 寸(mm) 中間舌片凈截面積(cm2)
型 號 a*b c H h L 鐵心片厚0.2mm 鐵心片厚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
──────────────────────────────
鐵心片 鐵心規格 尺 寸(mm) 中間舌片凈截面積(cm2)
型 號 a*b c H h L A d h1 鐵心片厚0.2mm 鐵心片厚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
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(三)變壓器的鐵心與繞組
為減小交變磁通在鐵心中所引起的渦流損耗,鐵心一般用厚為0.35-0.5mm的硅鋼片疊裝而成;并且在硅鋼片兩面涂以絕緣漆.信號變壓器還采用坡莫合金作鐵心.硅鋼片有熱軋和冷軋兩種.
熱軋硅鋼片的工作磁通密度一般取0.9-1.2T,鋼片常沖成"III"形,疊裝成鐵心.繞組套在中間的鐵心柱上. 冷軋硅鋼片的導磁性能比熱軋好,它的工作磁通密度允許達到1.8T,所以鐵心體積可以縮小.它的導磁有方向性, 順著輾軋方向的導磁性能好,故通常將冷軋硅鋼片卷成環形鐵心,然后切成兩 半C形, 將繞組分別套在鐵心柱上以后, 再將兩半鐵心粘成整體.
變壓器的繞組由原邊繞組和副邊繞組組成.原邊繞組接輸入電壓,副邊繞組接負載.原邊繞組只有一個,副邊繞組為一個或多個.原副邊繞組套裝在同一鐵心柱上.套在兩個鐵心柱上的原邊繞組或副邊繞組可分別相互串聯或并聯.
附:變壓器原副邊繞組要套在同一鐵心柱的原因
把原副邊繞組套在同一鐵心柱上時,由于原副邊繞組緊挨在一起(間隙實際上很小,它等于原副邊繞組之間絕緣紙的厚度)部分漏磁通在空氣中的路徑大受限制,因此漏磁通小.而邊繞組沒有套在原邊繞組上時,漏磁通在空氣中可以自由經過,無空間限制,因此在同樣的磁勢下漏磁通就大.
將原副邊繞組套在一起的合理之處即在于漏抗壓降小,對變壓 器運行有利.因為變壓器副邊電壓是隨副邊電流變化而變化的,減小原副邊的漏阻抗就可以減小電壓變化.為了使變壓器副邊電壓比較穩定,總是設法減小變壓器的漏抗.
如果把變壓器的原副邊繞組分開放置, 則漏抗將大大增加,以致負載變動時副邊電壓變化很大, 這樣的變壓器就不能滿足使用上 的要求.
電源變壓器簡易設計(四)變壓器的銘牌與使用
使用變壓器首先要弄清并嚴格遵守制造廠提供的銘牌數據,以避免因使用不當而不能充分利用,甚至損壞.變壓器銘牌上的主要額定數據有:
1.額定電壓U1和U2
原邊額定電壓U1是指原邊繞組上應加的電源電壓(或輸入電壓),副邊額定輸出電壓U2通常是指原邊加U1時副邊繞組的開路電壓.使用時原邊電壓不允許超過額定值(一般規定電壓額定值允許變化±5%).考慮有載運行時變壓器有內阻抗壓降,所以副邊額定輸出電壓U2應較負載所需的額定電壓高5-10%.對于負載是固定的電源變壓器, 副邊額定電壓U2有時是指負載下的輸出電壓.
附:輸入電壓不能超過額定電壓的原因
變壓器中主磁通和激磁電流的關系稱為鐵心的磁化曲線,它是一條具有飽和特性的非線性曲線.當主磁通小于額定電壓時對應的主磁通時, 磁化曲線近似為線形;超過此值后,主磁通就逐漸趨向飽和.此時,如果再增加磁通, 即增加U1,則電流就會急劇增加,這樣變壓器就會因過熱而馬上燒毀.因此,在使用變壓器時,必須注意變壓器的額定電壓和電源電壓要一致.
2.額定電流I1和I2
額定電流是指變壓器按規定的工作時間(長時連續工作或短時工作或間歇斷續工作)運行時原副邊繞組允許通過的最大電流,是根據絕緣材料允許的溫度定下來的.由于銅耗,電流會發熱.電流越大,發熱越厲害,溫度就越高.在額定電流下,材料老化比較慢.但如果實際的電流大大超過額定值,變壓器發熱就很厲害,絕緣迅速老化,變壓器的壽命就要大大縮短.
3.額定容量S
額定容量是視在功率,是指變壓器副邊額定電壓和額定電流的乘積.它不是變壓器運行時允許輸出的最大有功功率,后者和負載的功率因數有關.所以輸出功率在數值上比額定容量小.
4.額定頻率
使用變壓器時,還要注意它對電源頻率的要求.因為在變壓器中,在設計變壓器時,是根據給定的電源電壓等級及頻率來確定匝數及磁通最大值的. 如果亂用頻率, 就有可能變壓器損壞.例如一臺設計用50Hz,220V電源的變壓器,若用25Hz,220V電源,則磁通將要增加一倍,由于磁路飽和,激磁電流劇增,變壓器馬上燒毀.所以在降頻使用時,電源電壓必須與頻率成正比地下降.另外,在維持磁通不變的條件下,也不能用到400Hz,1600V的電源上.此時雖不存在磁路的飽和問題,但是升頻使用時耐壓和鐵耗卻變成了主要矛盾.因為鐵耗與頻率成1.5-2次方的關系.頻率增大時, 鐵耗增加很多. 由于這個原因, 一般對于鐵心采用0.35mm厚的熱軋硅鋼片的變壓器,50Hz時的磁通密度可達0.9-1T,而400Hz時的磁通密度只能取到0.4T.此外變壓器用的絕緣材料的耐壓等級是一定的,低壓變壓器允許的工作電壓不超過300-500V. 所以在升頻使用時,電源電壓不能與頻率成正比的增加, 而只能適當地增加.
工商網監
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