工頻變壓器設計計算.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除工頻變壓器的設計計算趙一強 2010-9-15一、 變壓器的結構和工作原理1、 變壓器的結構變壓器是一種電磁元件，主要由鐵芯和線圈繞組組成。圖1變壓器結構示意圖；圖2 是變壓器原理電路圖。 圖1 變壓器結構示意圖 圖2 變壓器原理電路圖2、 變壓器的工作原理變壓器是一個傳輸交流電功率的器件，同時起著變壓和隔離作用。工作原理如下：在初級線圈N1上加電源電壓U1時, 初級線圈N1中將產(chǎn)生電流I1（空載電流），這個電流將在鐵芯中建立磁場，產(chǎn)生磁通。磁通穿過次級線圈時，又在次級線圈中產(chǎn)生電勢（電壓U2），如果次級線圈接有負載RL，則負載中將產(chǎn)生電流IL。就這樣，交流電功率就從變壓器的初級電路傳到了次級電路。在空載下，其輸出電壓： U2=U1*N2/N1輸出電壓與輸入電壓之比等于次級匝數(shù)與初級匝數(shù)之比。從上可知，變壓器是通過鐵芯的磁場來傳遞電功率的。借助于磁場實現(xiàn)了初級電路和次級電路的電隔離；又通過改變繞組匝比，來改變次級的輸出電壓。二、 變壓器特性參數(shù)和設計要求1、磁通密度B和電流密度J磁通密度（又叫磁感應強度）B和電流密度J是變壓器設計的關鍵參數(shù)，直接關系著變壓器的體積和重量，B 、J值越高，變壓器越輕，但是B 、J的取值受到一定條件的限制，因此，變壓器的體積和重量也受到這些條件的限制。 磁通密度B磁通密度B ：磁路單位截面積的磁通量，單位 ：高斯(Gs)或特斯拉（T）。1T=10Gs 。 磁性材料的磁性可用基本磁化曲線表示?；敬呕€是磁通密度B與磁場強度H的關系曲線，在基本磁化曲線開始階段,磁通密度B與磁場強度H基本上成正比，隨后增加越來越慢，最后趨于飽和，如圖3所示。 圖3 鐵芯磁化曲線圖3中，Bs飽和磁感應強度； Bs過壓保護磁感應強度 Bm最大磁感應強度（計算值） 導磁率：飽和磁通密度為Bs和導磁率是曲線的兩個重要參數(shù)。對于磁性材料，要求Bs、 越高越好。Bs高，變壓器體積可減?。桓?，變壓器空載電流小。 另外，還要求電阻率高，這樣損耗小、發(fā)熱小。 電流密度J電流密度J : 電路單位截面積的電流量，單位 ：安/厘米（A/cm）。變壓器繞組導線的電阻： 電流導線中所產(chǎn)生的損耗（銅損）：可以看出，銅損與電流和電流密度的乘積成正比，就是說，隨著電流增加，要保持同樣的繞組損耗和溫升，必須相應地降低電流密度。2、鐵心、導線和絕緣材料 鐵心形狀和材料鐵心形狀：卷繞的有O型、CD/XCD型、ED/XED型、R型、HSD型(三相)， 沖片的有EI、CI型；這是我們常用兩種沖片。鐵心材料牌號：硅鋼（含硅量在2.33.6%）冷軋無取向硅鋼帶：含硅量低（在0.52.5%）；厚0.35、0.5、0.65mm,我們常用0.5mm； B 高、高，鐵損大，價格較低，多用于小功率工頻變壓器。冷軋取向硅鋼帶：含硅量較高（在2.53%），厚0.27、0.3、0.35mm, 我們常用0.35mm；B 高、高，鐵損小，價格較高，多用于中大功率工頻變壓器。 線圈導線材料 油性漆包線Q 0.052.5 耐溫等級 A 105塑醛漆包線QQ 0.062.5 耐溫等級 E 120聚酯漆包線QZ 0.062.5 耐溫等級 B 130耐壓均在600V以上。最常用的是QZ 漆包線。線圈允許的平均溫升m =線圈絕緣所允許的最高工作溫度-最高環(huán)境溫度-（510K）, 通常不超過60。510K是考慮線圈最高溫度與平均溫度之差，功率大取大值。 層間絕緣材料 500V 以下不需要層間絕緣。各繞組間應墊絕緣0.03 聚酯薄膜23層。3、 電源變壓器的主要技術參數(shù)1 輸出功率（視在功率、容量、VA數(shù)）2 輸出電壓及電壓調整率和要求3 電源電壓、頻率及變化范圍4 效率5 空載電流及空載損耗6 繞組平均溫升7 輸入功率因數(shù)8 耐壓9 環(huán)境溫度、濕度等10 其他 （體積、成本、重量、漏磁、噪音等）四、 變壓器的基本關系式以下是工頻變壓器常用計算公式。利用這些公式可以在沒有手冊的情況下計算所需要的變壓器，只要Bm和J取的合適，誤差不大。Bm和J的選取主要決定于輸出功率，Bm的選取還與鐵芯材料有關。1、 初級電壓 U1=4.44f Bm Sc N110 式中： U1-初級電壓（有效值），V； f-電源頻率，Hz； Bm-磁感應強度（幅值），Gs； Sc-凈鐵面積，cm； N1-初級繞組匝數(shù)。2、 初級功率（有功功率） P1=2.22f Bm J Sm Sc10式中： P1-初級功率, w ； J -電流密度，A/mm；Sm-凈銅面積，cm。3、 初級伏安（視在功率） VA1=4.44f Bm J Sm Sc10/（1+COS） -磁化電流較大時 VA1=2.22f Bm J Sm Sc10= P1 -磁化電流可忽略時4、 功率因數(shù) COS= P1 / VA1=1/1+（I/ I1） 式中： I-初級磁化電流，A； I1 -初級電流，A。5、 初級磁化伏安 VA = U1I = 4.44f Bm Sc N1 I10= 4.44f Bm H Sc lc10 式中： H -磁場強度，Oe； lc平均磁路長度，cm。6、 鐵心損耗 Pc=P10/f Gc Bm10 式中： P10/f-在Bm=10000Gs和對應頻率f下，單位重量的鐵損，w； Gc鐵重，kg；7、 銅損 溫升支配的變壓器 Pm =ZJGm； 式中： Gm銅重，kg； Z 1.96KT KT = rt/ r20 (對應105130銅溫KT = 1.221.31) 電壓調整率支配的變壓器 Pm= Pm（1+COS）/ COS8、 電壓調整率和次級電壓 電壓調整率 U=Pm/P1 ( 不計I ) 次級電壓空載電壓 U20 = U1* N2/N1 次級電壓負載電壓 U2 = U20(1-U)9、 輸出功率 P2= P1-(Pc+Pm)10、效率 = P2/P1 11、頻率對VA1的影響 VA1 f / ； Pc fP10/50=1.04, P10/400=13，所以，同一號鐵心，400Hz比50Hz變壓器容量約大2.3倍。12、 鐵心初選 ScoSmo= (1+)/10 cm式中： Po-即P2 ，VA； Km-銅占空系數(shù)，取0.20.3 ，與導線直徑有關； Kc-鐵占空系數(shù)，取0.820.88 ，與沖片厚度有關； Smo -銅的窗口面積，cm ；Sm=KmSmo；Sco - 鐵心截面積，cm；Sc=KcSco ； Bm - 磁感應強度（幅值），Gs； - 效率；J - 電流密度，A/mm；f - 頻率，Hz 。說明：1、公式1-11摘自“電源變壓器和濾波阻流圈典型計算參考資料 四機部工作組 1970年” ，僅適用于400Hz、50Hz電源變壓器。 2、公式12摘自“電源變壓器 （俄文版） 1959”。五、工頻變壓器的設計以下設計計算是針對EI 型沖片式工頻變壓器。其他形式變壓器可作為參考。 1、 列出技術要求額定輸出電壓，額定輸出電流、額定輸出功率（伏安）；輸入電壓范圍、工作頻率（50/60HZ）；外形及安裝要求；工作條件，如環(huán)境溫度，有無通風，工作制，工作壽命等。2、 明確設計準則：主要有三種設計準則： 按允許電壓調整率準則設計； 按允許溫升及重量最輕準則設計； 按允許溫升及成本最低準則設計。 10W以下的工頻變壓器按電10 %壓調整率來設計。材料用0.5 mm厚的低牌號冷軋無取向硅鋼片，如：50W800,1000,1300。其溫升較低，功率越小溫升越低。1060W的工頻變壓器也按電壓調整率設計，材料用0.5 mm厚的高牌號冷軋無取向硅鋼片，如：50W540,600,800。其溫升接近允許值。60瓦以上的工頻變壓器按允許溫升設計。材料用0.5 mm厚的高牌號冷軋無取向硅鋼片如：50W350,-540，也可用0.35的冷軋無取向硅鋼片35Q145、155、165。功率越大，其電壓調整率越小；例如：；200W的變壓器其電壓調整率為6.9 % ；1KW的變壓器僅2.5%。為了降低成本，可以采用鋁漆包線，此時要增加鐵片的厚度，減小導線匝數(shù)、增加鋁線的截面積；也可以采用鐵多銅少的鐵芯沖片，減小銅導線的截面積，從而減小銅重。3、 計算總輸出功率（容量）總輸出功率是設計變壓器的主要參數(shù)之一。它是決定變壓器的重量的最重要的參數(shù)，輸出功率越大，變壓器越重。變壓器通常有幾路輸出，而且輸出電路不盡相同，此時首要任務是確定每一路的輸出電壓和功率，再求出總的功率，以便選鐵心。輸出電路不同，輸出功率的計算方法也不同。應根據(jù)各電路的特點來計算各路的功率，然后加起來就是變壓器總輸出功率Po。幾種不同的電路的輸出功率計算公式： 純電阻負載：VACZ =UiIi 半波整流電路：VABB = ？ 全波整流電路：VAQB =1.71UkIk 單相橋整流電路：VAQS =UiIi 單相倍壓整流電路：VABY =UdId變壓器總的輸出功率Po = VACZ + VABB+ VAQB + VAQS + VABY有時采取以下簡化方法來確定變壓器的總輸出功率：首先確定各個負載的功率，其和再除以0.70.9的系數(shù)就是變壓器的輸出功率。這個系數(shù)既考慮了以上電路增加的無功功率，又考慮了適當?shù)挠嗔俊＿@個方法不是很準確，但能滿足工程計算的需要，卻節(jié)省了很多時間。4、選鐵心，計算繞組及其他參數(shù) 選鐵心是變壓器設計的最重要的一步。選鐵心要根據(jù)相應標準或變壓器設計手冊或鐵心廠家的產(chǎn)品說明書來進行選擇。鐵心廠家的產(chǎn)品說明書一般只給出鐵心沖片規(guī)格及鐵心材料牌號。由于各廠家的鐵心沖片規(guī)格和材料不盡統(tǒng)一，我們通常要針對該廠家的鐵心規(guī)格自己來計算繞組參數(shù)等數(shù)據(jù)。早期的變壓器設計手冊給出了多個廠家的變壓器鐵芯沖片系列表以及多種鐵心材料的性能數(shù)據(jù)，還給出了變壓器的計算程序和實例，以及多種系列的變壓器參數(shù)表，選擇較為方便。但是鐵芯規(guī)格比較雜亂（有前蘇聯(lián)的、前四機部的、早期日美的）， 鐵芯材料性能數(shù)據(jù)也比較陳舊。遼寧科學技術出版社2007年出版的“新編電子變壓器手冊”是一本值得推薦的工具書。該書 提供了EI及其他形式鐵芯的規(guī)格表；常用EI型鐵芯材料的特性曲線； 常用EI型鐵芯沖片尺寸系列和結構參數(shù)工頻變壓器的磁通密度（磁感應強度）取值表（表2-59）；工頻變壓器的電流密度取值表（表2-60）；工頻變壓器的電壓調整率取值表（表2-61）；工頻變壓器的效率取值表（表2-62）；工頻變壓器的Km取值表（表2-63）。這些都是變壓器設計計算需要的數(shù)據(jù)。該書中（PP116）還給出了常用工頻變壓器（單相和三相）鐵芯規(guī)格表，的參數(shù)表，根據(jù)輸出功率就可查到對應的鐵芯規(guī)格、繞組匝/伏、空載損耗、效率、次級電壓調整率，溫升、電流密度以及重量等數(shù)據(jù)，這樣，根據(jù)手冊給出的匝/伏及電流密度，可以很快計算出每個繞組的匝數(shù)和線徑，方便快捷，結果準確 ，計算工作量很小。但是，該手冊單相變壓器僅給出了1.2KVA以下的參數(shù)表。同樣一臺變壓器，在提高通風散熱強度的情況下，或相應地縮短工作時間，其輸出功率可以大大提高，只要保證繞組溫升不超過60就可以。手冊中提供了許多計算實例，可供參考。 按電壓調整率設計（P124） 按允許溫升設計，其中包括：按允許溫升和最低成本設計（P152)按允許溫升和最小體積設計（P156）輸出功率大于1.2KW以上的變壓器就要自行計算。此時，首先要確定對應輸出功率的鐵芯尺寸，計算相應的迭片厚度，然后計算繞組匝數(shù)和導線直徑，校驗窗口。再就是計算空載電流、電壓調整率、銅損鐵損、繞組溫升、重量等。此時，磁感應強度B和電流密度J的取值相當重要，過高變壓器鐵芯溫度和導線溫度高；過低則變壓器又大又重。輸出功率越大，磁感應強度B和電流密度J要相應取小些。另外，該手冊中還提供了日、美、歐洲等國的鐵芯系列規(guī)格，以便于出口產(chǎn)品的生產(chǎn)。六、樣機的試驗和調整工頻變壓器設計是否成功應由樣機實驗結果來的驗證： 樣機在額定狀態(tài)（額定輸入電壓和頻率、額定輸出電流及室溫）下工作5分鐘后，在空載和滿載其輸出電壓保持規(guī)定范圍內（包括電壓調整率），同時空載電流較小。 樣機工作1小時后，其輸出電壓保持在規(guī)定范圍內，而鐵芯和導線溫升不超過規(guī)定值。鐵芯和導線溫升過高是不允許的，但過低也不是所希望的，它說明體積重量較大，成本較高。如果試驗結果不理想，那就要調整參數(shù)重新設計