工頻變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除工頻變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算趙一強(qiáng) 2010-9-15一、 變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理1、 變壓器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖；圖2 是變壓器原理電路圖。 圖1 變壓器結(jié)構(gòu)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(gè)傳輸交流電功率的器件，同時(shí)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(shí), 初級線圈N1中將產(chǎn)生電流I1（空載電流），這個(gè)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(shí)，又在次級線圈中產(chǎn)生電勢（電壓U2），如果次級線圈接有負(fù)載RL，則負(fù)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(shí)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(shè)計(jì)要求1、磁通密度B和電流密度J磁通密度（又叫磁感應(yīng)強(qiáng)度）B和電流密度J是變壓器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)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(qiáng)度H的關(guān)系曲線，在基本磁化曲線開始階段,磁通密度B與磁場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度； Bs過壓保護(hù)磁感應(yīng)強(qiáng)度 Bm最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（計(jì)算值） 導(dǎo)磁率：飽和磁通密度為Bs和導(dǎo)磁率是曲線的兩個(gè)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(dǎo)線的電阻： 電流導(dǎo)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(yīng)地降低電流密度。2、鐵心、導(dǎo)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(jià)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(jià)格較高，多用于中大功率工頻變壓器。 線圈導(dǎo)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(yīng)墊絕緣0.03 聚酯薄膜23層。3、 電源變壓器的主要技術(shù)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(diào)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(guān)系式以下是工頻變壓器常用計(jì)算公式。利用這些公式可以在沒有手冊的情況下計(jì)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(guān)。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(yīng)強(qiáng)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(shí) VA1=2.22f Bm J Sm Sc10= P1 -磁化電流可忽略時(shí)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(qiáng)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(yīng)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(yīng)105130銅溫KT = 1.221.31) 電壓調(diào)整率支配的變壓器 Pm= Pm（1+COS）/ COS8、 電壓調(diào)整率和次級電壓 電壓調(diào)整率 U=Pm/P1 ( 不計(jì)I ) 次級電壓空載電壓 U20 = U1* N2/N1 次級電壓負(fù)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(dǎo)線直徑有關(guān)； Kc-鐵占空系數(shù)，取0.820.88 ，與沖片厚度有關(guān)； Smo -銅的窗口面積，cm ；Sm=KmSmo；Sco - 鐵心截面積，cm；Sc=KcSco ； Bm - 磁感應(yīng)強(qiáng)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(jì)算參考資料 四機(jī)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(shè)計(jì)以下設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)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(fēng)，工作制，工作壽命等。2、 明確設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：主要有三種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則： 按允許電壓調(diào)整率準(zhǔn)則設(shè)計(jì)； 按允許溫升及重量最輕準(zhǔn)則設(shè)計(jì)； 按允許溫升及成本最低準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。 10W以下的工頻變壓器按電10 %壓調(diào)整率來設(shè)計(jì)。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(diào)整率設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。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(diào)整率越小；例如：；200W的變壓器其電壓調(diào)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(shí)要增加鐵片的厚度，減小導(dǎo)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(dǎo)線的截面積，從而減小銅重。3、 計(jì)算總輸出功率（容量）總輸出功率是設(shè)計(jì)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(shí)首要任務(wù)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(jì)算方法也不同。應(yīng)根據(jù)各電路的特點(diǎn)來計(jì)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(jì)算公式： 純電阻負(fù)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(shí)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(gè)負(fù)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(gè)系數(shù)既考慮了以上電路增加的無功功率，又考慮了適當(dāng)?shù)挠嗔?。這個(gè)方法不是很準(zhǔn)確，但能滿足工程計(jì)算的需要，卻節(jié)省了很多時(shí)間。4、選鐵心，計(jì)算繞組及其他參數(shù) 選鐵心是變壓器設(shè)計(jì)的最重要的一步。選鐵心要根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或變壓器設(shè)計(jì)手冊或鐵心廠家的產(chǎn)品說明書來進(jìn)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(jì)算繞組參數(shù)等數(shù)據(jù)。早期的變壓器設(shè)計(jì)手冊給出了多個(gè)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(jì)算程序和實(shí)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(jī)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)工頻變壓器的磁通密度（磁感應(yīng)強(qiáng)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(diào)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(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)的鐵芯規(guī)格、繞組匝/伏、空載損耗、效率、次級電壓調(diào)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(jì)算出每個(gè)繞組的匝數(shù)和線徑，方便快捷，結(jié)果準(zhǔn)確 ，計(jì)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(tái)變壓器，在提高通風(fēng)散熱強(qiáng)度的情況下，或相應(yīng)地縮短工作時(shí)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(jì)算實(shí)例，可供參考。 按電壓調(diào)整率設(shè)計(jì)（P124） 按允許溫升設(shè)計(jì)，其中包括：按允許溫升和最低成本設(shè)計(jì)（P152)按允許溫升和最小體積設(shè)計(jì)（P156）輸出功率大于1.2KW以上的變壓器就要自行計(jì)算。此時(shí)，首先要確定對應(yīng)輸出功率的鐵芯尺寸，計(jì)算相應(yīng)的迭片厚度，然后計(jì)算繞組匝數(shù)和導(dǎo)線直徑，校驗(yàn)窗口。再就是計(jì)算空載電流、電壓調(diào)整率、銅損鐵損、繞組溫升、重量等。此時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J的取值相當(dāng)重要，過高變壓器鐵芯溫度和導(dǎo)線溫度高；過低則變壓器又大又重。輸出功率越大，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和電流密度J要相應(yīng)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(jī)的試驗(yàn)和調(diào)整工頻變壓器設(shè)計(jì)是否成功應(yīng)由樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來的驗(yàn)證： 樣機(jī)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(nèi)（包括電壓調(diào)整率），同時(shí)空載電流較小。 樣機(jī)工作1小時(shí)后，其輸出電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)，而鐵芯和導(dǎo)線溫升不超過規(guī)定值。鐵芯和導(dǎo)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(yàn)結(jié)果不理想，那就要調(diào)整參數(shù)重新設(shè)計(jì)