電源變壓器簡易設(shè)計方案

電源變壓器是低頻變壓器. 本文介紹的方法適合50Hz一千瓦以下普通交流變壓器的設(shè)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(dǎo)電的氧化膜, 有足夠的絕緣能力.國產(chǎn)小功率變壓器常用標(biāo)準(zhǔn)鐵心片規(guī)格見后續(xù)文章.

(2) 電源變壓器的簡易設(shè)計.設(shè)計一個電源變壓器,主要是根據(jù)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(shù)等.所謂鐵心截面積S是指硅鋼片中間舌的標(biāo)準(zhǔn)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(jù)變壓器功率,由式(2.1)計算出鐵心截面積S,并且從國產(chǎn)小功率變壓器常用的標(biāo)準(zhǔn)鐵心片規(guī)格表中選擇鐵心片規(guī)格和疊厚.

第四步, 確定每伏圈數(shù)N.根據(jù)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(shù)N.鐵心的B值可以這樣選取: 質(zhì)量優(yōu)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(dǎo)線電阻的壓降, 次級線圈每伏圈數(shù)N'應(yīng)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(dǎo)線直徑.根據(jù)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(dǎo)線直徑.一般電源變壓器的電流密度可以選用3安/毫米?

第七步, 校核. 根據(jù)計算結(jié)果,算出線圈每層圈數(shù)和層數(shù),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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù). 單位: 圈每伏(N/V)

I: 使用電流. 單位: 安(A)

D: 導(dǎo)線直徑. 單位: 毫米(mm)

電源變壓器簡易設(shè)計(二)GEI鐵心規(guī)格

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鐵心片 鐵心規(guī)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

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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

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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

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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

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鐵心片 鐵心規(guī)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

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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

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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

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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

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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

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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

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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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電源變壓器簡易設(shè)計(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(dǎo)磁性能比熱軋好,它的工作磁通密度允許達(dá)到1.8T,所以鐵心體積可以縮小.它的導(dǎo)磁有方向性, 順著輾軋方向的導(dǎo)磁性能好,故通常將冷軋硅鋼片卷成環(huán)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(fù)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(lián)或并聯(lián).

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(jīng)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(yùn)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(wěn)定,總是設(shè)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(fù)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(shè)計(四)變壓器的銘牌與使用

使用變壓器首先要弄清并嚴(yán)格遵守制造廠提供的銘牌數(shù)據(jù),以避免因使用不當(dāng)而不能充分利用,甚至損壞.變壓器銘牌上的主要額定數(shù)據(jù)有:

1.額定電壓U1和U2

原邊額定電壓U1是指原邊繞組上應(yīng)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(guī)定電壓額定值允許變化±5%).考慮有載運(yùn)行時變壓器有內(nèi)阻抗壓降,所以副邊額定輸出電壓U2應(yīng)較負(fù)載所需的額定電壓高5-10%.對于負(fù)載是固定的電源變壓器, 副邊額定電壓U2有時是指負(fù)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(guān)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(dāng)主磁通小于額定電壓時對應(yīng)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(guī)定的工作時間(長時連續(xù)工作或短時工作或間歇斷續(xù)工作)運(yùn)行時原副邊繞組允許通過的最大電流,是根據(jù)絕緣材料允許的溫度定下來的.由于銅耗,電流會發(fā)熱.電流越大,發(fā)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(fā)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(yùn)行時允許輸出的最大有功功率,后者和負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān).所以輸出功率在數(shù)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(shè)計變壓器時,是根據(jù)給定的電源電壓等級及頻率來確定匝數(shù)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(shè)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(guān)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(dá)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(dāng)?shù)卦黾?