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電源變壓器的設(shè)計與制作
電源變壓器的設(shè)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(shù)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(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)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(shè)計有關(guān)，即使是兩個不同廠家生產(chǎn)的相同規(guī)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(yīng)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(shù)值與變壓器的輸出功率P2對應(yīng)，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(yīng)在一定范圍內(nèi)，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(diào)節(jié)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(shù)合格。
3． 變壓器的溫升ΔT
在環(huán)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(wěn)定狀態(tài)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(wěn)定是指溫度在1小時內(nèi)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(yīng)能承受4200V歷時1min.的交流電壓而不出現(xiàn)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)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(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準鐵心片規(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(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準鐵心片規(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2
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(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)
(二)GEI鐵心規(guī)格
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
──────────────────────────────
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(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
─────────────────────────────────────
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)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格遵守制造廠提供的銘牌數(shù)據(jù),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(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(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.它不是變壓器運行時允許輸出的最大有功功率,后者和負載的功率因數(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?shù)卦黾?
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