工頻變壓器設(shè)計(jì)原理分析

工頻變壓器被大家稱為低頻變壓器,以示與開關(guān)電源用高頻變壓器有區(qū)別，工頻變壓器在過去傳統(tǒng)的電源中大量使用，而這些電源的穩(wěn)定方式又是采用線性調(diào)節(jié)的，所以那些傳統(tǒng)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(dǎo)出相關(guān)計(jì)算式也不復(fù)雜,所以大家形成了看法:太簡單了，就那三、四個計(jì)算公式,沒什么可研究的.設(shè)計(jì)時只要根據(jù)那些簡單的公式,立馬成功。

　　我認(rèn)為上面的認(rèn)識既有可取之處,也有值得研究的地方.可取之處:根據(jù)計(jì)算式,可以很快就計(jì)算出結(jié)果,解決了問題;值得研究的地方是:你是否了解自己設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品性能?設(shè)計(jì)合理嗎?設(shè)計(jì)優(yōu)化過嗎?經(jīng)濟(jì)性如何?

　　舉個例子吧,根據(jù)功率選鐵芯規(guī)格就是個很繁雜的問題,因?yàn)樯婕暗囊蛩乇容^多.有些書推薦采用下面的半經(jīng)驗(yàn)公式去選取:

　　S = K·Sqrt(P) (1)

　　定下S后,然后進(jìn)行其它的計(jì)算.這確實(shí)是一種實(shí)用的方法,但也要認(rèn)識到,這也是一種簡化了的設(shè)計(jì)方法,大多數(shù)情況下存在著浪費(fèi).這種設(shè)計(jì)方法對業(yè)余愛好者來說用不著討論(只是偶爾設(shè)計(jì)一個變壓器自己用),但對企業(yè)來說,值得討論,產(chǎn)品中大批量采用這種設(shè)計(jì)時,體現(xiàn)的是降低了經(jīng)濟(jì)效益。

　　那么,在專業(yè)的場合,比如變壓器生產(chǎn)企業(yè),他們是怎樣的方法?

　　原理上,是根據(jù)導(dǎo)線在窗口中的占用系數(shù)去選取鐵芯規(guī)格,但這樣的計(jì)算很繁,而且關(guān)系不簡單,比如相關(guān)計(jì)算式是:

　　P = 0.0222·f·B·J·Sc·Sm (2)

　　當(dāng)電流密度由電壓調(diào)整率決定時,計(jì)算式為：

　　P = 0.0555(f·f)(B·B)(Sc·Sc)·Sm·ΔU/(Z·Lm) (3)

　　這樣復(fù)雜的關(guān)系,要人工拿出一個設(shè)計(jì)方案是非常頭疼的,于是,專家們就根據(jù)實(shí)際情況,將這些關(guān)系結(jié)合數(shù)據(jù)編制成一系列表,設(shè)計(jì)工程師只要根據(jù)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)查對應(yīng)的表,就可以得到一組實(shí)用的數(shù)據(jù),比如根據(jù)功率及其它指標(biāo)查表,得到鐵芯規(guī)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(jié)合經(jīng)驗(yàn)的積累,可以對方案做適當(dāng)判斷,再作出優(yōu)化.即使如此,這種方法也存在著兩個大的不足,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(shè)計(jì)出的產(chǎn)品參數(shù),也得花費(fèi)大量的時間去一一計(jì)算,一天要搞幾個方案出來工程師的頭肯定大了.好在現(xiàn)在的電腦應(yīng)用普及了,專門的軟件也有了,可讓電腦去做呆板的計(jì)算工作,工程師只關(guān)注方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

　　再比如,對于電流密度的選取,簡單設(shè)計(jì)中一般建議為2.5A~3A/(mm·mm),但根據(jù)(3)式,小功率調(diào)整率大時,電流密度可以取的很大,能達(dá)到8~9A/(mm·mm)[參見本欄做低lEI型浩韉倪M(jìn)砹囊渙奶,我在那里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(shè)計(jì)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(diào)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(qiáng)調(diào)說明的是,電流密度不是隨便可以提高的,是和設(shè)計(jì)時的指標(biāo)聯(lián)系在一起計(jì)算給出的,隨便提高往往導(dǎo)致性能惡化,甚至燒毀變壓器。

　　也許有人認(rèn)為：何必那樣斤斤計(jì)較?我不這樣認(rèn)為,都說國外的經(jīng)濟(jì)增長如何如何節(jié)約能源、節(jié)約原材料,難道那不是一點(diǎn)一點(diǎn)摳出來的?開關(guān)電源的效率從何而來,不也是一點(diǎn)一點(diǎn)研究出來的嗎?既然道理如此,如果真的從事工頻變壓器生產(chǎn)和設(shè)計(jì),就必須認(rèn)真做好自己的本行,搞清自己的工作相關(guān)內(nèi)容.設(shè)想一下,某企業(yè)產(chǎn)品需要各類變壓器,欲招聘一工程師從事設(shè)計(jì),給幾個實(shí)例讓當(dāng)場設(shè)計(jì),甲、乙兩工程師設(shè)計(jì)的結(jié)果都滿足要求,但甲的成本平均比乙的低10%,你說企業(yè)會錄用誰?

　　從節(jié)約能源及原材料的角度，在這里與大家分享：

　　1、減少銅的用量,有兩個方面可以實(shí)現(xiàn),一是減少線徑這就意味著銅阻增大,銅損損耗就會增大.二是減少圈數(shù),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(jī)狀態(tài),電力資源的浪費(fèi)是非常大的.每年我國因?yàn)榧矣秒娖鞯拈L期處于待機(jī)通電狀態(tài)造成的電力浪費(fèi)以數(shù)十億元計(jì)。

　　2、變壓器設(shè)計(jì)時應(yīng)使銅損和鐵損相等,這樣變壓器的損耗最低,工作最穩(wěn)定,如果一個變壓器設(shè)計(jì)完后,由于為節(jié)省銅線,而采取小號的線徑和減少圈數(shù)的方法,使得鐵心窗口還有很多的空間余量,這樣就說明鐵心的尺寸選擇的過大,造成了鐵心的浪費(fèi),由于鐵心的規(guī)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(jù)現(xiàn)在的價格,鐵心的成本要高于銅線的成本。

　　所以在設(shè)計(jì)時,在保證性能滿足客戶的要求的情況下,應(yīng)盡量選擇小號的鐵心,能用41的,就絕不用48的.關(guān)于空載電流,從節(jié)省待機(jī)的損耗上考慮,還是盡量低的好。