小型電壓變壓器的設(shè)計(jì)與制作

1、小型電源變壓器的設(shè)計(jì)與制作這里介紹的是適用于50Hz、容量在500VA以下的單相電源變壓器的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)電源變壓器前，應(yīng)了解所設(shè)計(jì)的電源的技術(shù)參數(shù)要求，如初級(jí)、次級(jí)電壓、電流、整流電路類(lèi)型、性質(zhì)等等。小型電源變壓器的主要制作材料是硅鋼片和漆包線。常用硅鋼片的品種和電磁性能見(jiàn)表1。硅鋼片是在鐵中加入0.84.5%硅而形成的一種磁性材料，摻入硅以后，可以提高電阻率，并有利于奮力有害雜質(zhì)、提高磁導(dǎo)率、降低鐵損，但硬度和脆性增高，導(dǎo)熱系數(shù)降低，對(duì)機(jī)械加工和散熱不利。電源變壓器適用的硅鋼片厚度為0.35mm和0.5mm兩種，厚度越薄，鐵損越小，變壓器發(fā)熱越少，效率越高，若遇工作頻率較高的場(chǎng)合，應(yīng)選

2、用0.050.20mm的規(guī)格。表1常用硅鋼片的品種及其電磁性能硅鋼品種厚度(mm)鐵損（W/kg）不大于磁感應(yīng)強(qiáng)度不小于疊裝密度(g/cm5)彎曲次數(shù)代號(hào)BioB25B50B100系數(shù)P10/50P15/50P17/502、(Wb/m)(%)D210.502.56.11.481.591.78927.70一D220.502.25.31.511.611.74927.70一D230.502.15.11.541.641.76927.70一熱軋硅D320.501.84.01.501.611.74917.654D320.351.43.21.501.611.74907.655D420.501.353.151

3、.451.561.68917.551D430.501.202.901.441.551.67917.551D420.351.152.801.451.561.68907.551.5D430.351.052.501.431.541.66907.551.5W210.502.35.31.541.64967.75一無(wú)取向W220.502.04.71.521.62967.75一冷軋硅鋼片W320.501.63.61.501.60957.655W330.501.43.31.501.60957.655W320.351.253.11.481.58947.655W330.351.052.71.481.58947.6

4、55單取向Q30.350.71.62.31.671.801.86957.653Q40.350.61.42.01.721.851.90957.653Q50.350.551.21.71.761.881.92957.653Q60.350.441.11.511.771.921.96957.653表1中各參數(shù)的解釋如下：1 .鐵損當(dāng)電感元件通有交流電流時(shí)，線圈鐵芯中會(huì)出現(xiàn)兩種損耗：其一是鐵磁材料會(huì)被交流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)反復(fù)磁化，引起鐵芯內(nèi)部分子之間的摩擦和碰撞，產(chǎn)生熱量，由此引起的鐵心損耗叫做“磁滯損耗”；再則，鐵心是導(dǎo)體，在交變磁場(chǎng)中會(huì)感應(yīng)出交變的漩渦狀感生電流，稱為“渦流”，渦流在鐵芯中流動(dòng)，使鐵芯發(fā)

5、熱，消耗電能，形成渦流損耗。渦流損耗和磁滯損耗統(tǒng)稱為鐵損。鐵損與交流電的頻率有關(guān)，頻率越高，損耗越大；鐵損還與磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，鐵損越大。硅鋼片的鐵損是在溫度為200C、磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的條件下測(cè)定的，在工程中鐵損用P10/50、P15/50、P17/50表示，其中下腳標(biāo)表示測(cè)定條件為交流頻率50Hz、磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為1.0T（特斯拉）、1.5T、1.7T,其數(shù)值為每千克硅鋼片的消耗功率（瓦特）。另外，變壓器還存在銅損，因?yàn)榇蠖鄶?shù)變壓器的線圈是用漆包線繞制的，電流通過(guò)導(dǎo)線電阻會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，消耗能量，形成銅損（由于變壓器導(dǎo)線一般為銅導(dǎo)線，故將導(dǎo)線電阻形成的損耗一概叫做

6、銅損），銅損與鐵心材料無(wú)關(guān)。銅損也使變壓器溫度升高，效率降低。2 .不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵心溫度為20C,將鐵心試樣設(shè)置在退磁狀態(tài)，在標(biāo)定頻率（50Hz）下磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦規(guī)律變化，當(dāng)交流磁場(chǎng)（即磁動(dòng)勢(shì)，單位為A/m）的峰值達(dá)到某一標(biāo)定值時(shí)，鐵芯試樣磁感強(qiáng)度的峰值為標(biāo)準(zhǔn)磁感強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁感），單位為T(mén)o例如B10為交變磁場(chǎng)的峰值但到10安培/米時(shí)，硅鋼片中磁感應(yīng)強(qiáng)度的值（特斯拉），它反映了電流激勵(lì)硅鋼片磁場(chǎng)的能力。3 .疊裝系數(shù)硅鋼片的表面涂有薄薄的一層絕緣漆，當(dāng)緊密地疊裝成變壓器鐵芯時(shí)，彼此之間保持絕緣，這樣可以減小鐵芯中的渦流，提高變壓器的工作效率。但絕緣漆和片間間隙的存在

7、，必然減小鐵心的有效截面積。變壓器鐵芯的有效截面積和實(shí)際截面積之比叫做碟片系數(shù)。4 .彎曲次數(shù)彎曲次數(shù)是用肉眼觀察到硅鋼片上第一次出現(xiàn)裂紋前反復(fù)彎曲的次數(shù)，它代表了硅鋼片的延展性。繞制變壓器繞組的漆包線參數(shù)參見(jiàn)本書(shū)之“機(jī)電元件”一章中有關(guān)導(dǎo)線的相關(guān)內(nèi)容。除漆包線和硅鋼片以外，制作小型電源變壓器的材料還有線圈骨架、絕緣紙、引出線以及引出線作法中需要的錫焊材料、絕緣材料等等。GE型鐵心單相電源變壓器的設(shè)計(jì)硅鋼片是利用沖床沖制而成的，一般硅鋼片的沖片規(guī)格都符合國(guó)家的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為標(biāo)準(zhǔn)件。按照所選用硅鋼片形狀區(qū)分，常見(jiàn)的電源變壓器一般采用E形鐵芯和環(huán)形鐵心，本文首先介紹E型鐵心電源變壓器的設(shè)計(jì)與制作。圖

8、2為E型鐵心尺寸規(guī)格圖，其厚度按照表1所列鋼材規(guī)格而定（有0.5mm和0.35mm等規(guī)格），表2列出了部分常用硅鋼片幾何參數(shù)值，其中A叫做硅鋼片的舌寬，l為平均磁路長(zhǎng)度，S0為窗口面積。表2中除S0的單位為平方厘米外，其余均為毫米。一些功率較大的小型電源變壓器的骨架需要用布膠版或硬紙板制作，但常用的100W以下小型電源變壓器的骨架已經(jīng)用塑料制成成品，連同沖制好的硅鋼片一道出售，可以在市場(chǎng)上直接采購(gòu)。絕緣紙是用來(lái)增強(qiáng)線圈的層間絕緣和繞組之間絕緣用的，常用的絕緣紙有電話紙、電纜紙、電容器紙和黃蠟綢等。使用了絕緣紙以后，線圈的體積將增大，所用漆包線長(zhǎng)度增加，會(huì)增加制作成本。當(dāng)采用的漆包線直徑較粗、表

9、面絕緣器較厚的情況下，繞線整齊時(shí)可以不在層間使用絕緣紙，但引出線與繞組之間，以及各繞組之間都必須使用絕緣紙，以增強(qiáng)絕緣性能。有些市場(chǎng)上出售的骨架結(jié)構(gòu)合理，繞組之間已經(jīng)用骨架間隔分離，完全可以省略絕緣紙，但在繞制線圈初始仍然加墊少量絕緣紙，當(dāng)作線圈的軟襯墊使用。無(wú)論采用什么骨架，引出線與漆包線的連接點(diǎn)必須作恢復(fù)絕緣的技術(shù)處理，引出線與線圈之間必須用絕緣紙隔離。自制骨架時(shí)，往往要將各繞組重疊繞制在骨架上，此時(shí)，各繞組之間除了要用足夠的絕緣紙實(shí)現(xiàn)絕緣處理之外，還需要使用銅箔、鋁箔或者漆包線等導(dǎo)電材料間隔開(kāi)來(lái)，作為繞組之間的電屏蔽層。圖2GE型鐵心疊積示意圖表2部分常用E型硅鋼片參數(shù)型號(hào)ABCDEFG

10、nbcdlS0GEI106.5186.56.5313629.53.2524.53.25一5.661.17GEI12822883844364304一6.811.76GEI14925994350414.5344.5-7.862.25GEI16824884048404324-8.931.92GEI16102810104856465385-9.032.8GEI191233.5121257.56755645.56-10.734.02GEI20103010105060505405-11.143.00GEIB22143914146778647537512.445.46GEIB2512.537.512.512

11、.562.57562.56.25506.255.513.944.69GEIB26174717178194778.5648.55.514.77.99GEIB281442141470847075675.515.65.88GEIB30154515157590757.5607.55.516.76.75GEIB301953191991106879.5729.55.516.910.07GEIB32164816168096808648617.87.68GEIB32328016161121281128968627.425.6GEIB35195417.51992108918.5739.5620.115.26GE

12、IB352261.52222105.51231011183.511619.7513.53GEIB38226019221041201019.58211622.413.20GEIB402672262612414411813981327.9618.72GEIB40401002020140160140101201034.2840.00設(shè)計(jì)、制作E型鐵心電源變壓器需要按照如下步驟進(jìn)行。1 .核算變壓器輸出總功率P2根據(jù)負(fù)載電路的要求，電源變壓器的輸出電壓往往有多個(gè)等級(jí)，變壓器的輸出功率P2是各個(gè)輸出繞組輸出功率的總合。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，通常已經(jīng)知道負(fù)載電路所要求的直流電壓U2n和直流電流12n（這里用下角

13、標(biāo)n標(biāo)注第n個(gè)次級(jí)繞組的輸出參數(shù)），設(shè)變壓器次級(jí)繞組中電壓最高的繞組功率為P21,在核算P21時(shí)應(yīng)注意，P21不僅與該繞組白輸出電壓U21、輸出電流I21有關(guān)，而且還與整流電路和變壓器結(jié)構(gòu)的類(lèi)型相關(guān)，參見(jiàn)表3表3變壓器次級(jí)主繞組輸出功率的核算公式電路型式單相半波單相全波單相橋式三相半波二相橋式三相雙星P21計(jì)算公式3.49U211211.49U21I211.23U21I211.51U21I21：1.05U21I211.28U21121變壓器輸出總功率式中P2s=U2s12s.2 .計(jì)算變壓器車(chē)入功率P1利用變壓器的效率公式可計(jì)算出變壓器的初級(jí)繞組輸入功P1P2式中刀為變壓器的效率，一般來(lái)說(shuō)變壓

14、器的容量S1越大（變壓器的次級(jí)視在功率，單位為伏安，當(dāng)變壓器負(fù)載為電阻時(shí)，實(shí)在功率等于P2）,效率越高；容量越低，效率越低。刀值的選取可利用圖3,根據(jù)容量近似讀取。圖3小型電源變壓器視在功率與效率的經(jīng)驗(yàn)曲線視在功率小于10VA時(shí)，圖3所示曲線誤差較大；視在功率大于100VA時(shí)變壓器效率較高,取值應(yīng)超過(guò)90%。3,確定鐵心截面積SFe,選擇鐵心根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，鐵心截面積SFe=KS1.式中K由硅鋼片質(zhì)量確定，硅鋼片質(zhì)量越好，K取值越小。對(duì)于D41、D42硅鋼片，K=1.25;功率大于100VA的變壓器，K的取值可在11.25之間；質(zhì)量不好的鐵心，K=1.5左右。上2式中，Si的單位為伏安（VA）,

15、SFe的單位為平萬(wàn)厘米（cm）。上式中SFe為鐵心的凈截面積，制作變壓器時(shí)的實(shí)際截面積S還要考慮硅鋼片疊裝系數(shù)入的影響：SFeS=AH.入的取值可參見(jiàn)表1。A為硅鋼片的舌寬，H為硅鋼片迭厚（即變壓器鐵芯厚度）。通常取H=1-2A.這樣制作的變壓器外形較為合適。選擇A、H以后，再根據(jù)表2確定鐵芯規(guī)格。4 .確定繞組匝數(shù)繞組匝數(shù)與繞組電壓有關(guān)，鐵芯材料確定以后可以根據(jù)下式計(jì)算每伏特電壓需要繞制的線圈匝數(shù)No:45Fe這里，B為變壓器鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度，單位為特斯拉（T）;SFe的單位仍然取平方厘米。B的取值略小于表1提供的數(shù)據(jù)，通常，優(yōu)質(zhì)硅鋼片取11.5T,一般硅鋼片取0.70.8T,普通鐵片取0.

16、50.7T,常用的冷軋硅鋼片取值可達(dá)1.21.6T。確定了硅鋼片以后，B的取值越小，變壓器工作溫升越小，效率越高，但制作成本越高。繞組電阻會(huì)使變壓器的繞組輸出電壓降低，確定繞組匝數(shù)時(shí)應(yīng)考慮壓降系數(shù)8的影響，對(duì)于初級(jí)繞組（設(shè)電壓為Ui,匝數(shù)為Ni）,實(shí)際匝數(shù)應(yīng)小于理論值UiNo:Ni=1-UiNo.而對(duì)于次級(jí)各繞組，實(shí)際匝數(shù)應(yīng)略大于理論值：N2i=iU2iN0N22=iU22NoN2n=iU筋N一般取法0.020.05,容量小的變壓器所使用的導(dǎo)線細(xì)，阻抗大，壓降大，8的取值較大。5 .確定各繞組漆包線直徑確定漆包線直徑的參數(shù)是繞組電流，次級(jí)繞組的電流已經(jīng)由負(fù)載電路確定，初級(jí)繞組的電流Ii可以用初

17、級(jí)繞組電壓Ui和變壓器輸入功率Pi計(jì)算出來(lái):PiIi=i.ii.2一.Ui系數(shù)是由于變壓器空載時(shí)初級(jí)繞組仍然需要維持一定激磁電流所造成的。確定漆包線直徑的另一個(gè)參數(shù)是導(dǎo)線的電流密度Jo變壓器的允許溫升、散熱條件以及繞組允許電壓將決定了電流密度的取值，一般E型鐵芯小型電源變壓器的電流密度的取值范圍為24A/mm2。如果取值太大，變壓器銅損增大，溫升增加，線圈容易燒毀；若取值過(guò)小，不僅會(huì)增大變壓器的體積、重量，而且浪費(fèi)資源，必然大大增加變壓器成本，不經(jīng)濟(jì)。導(dǎo)線直徑d的計(jì)算公式為式中I為繞組電流，單位為安培（A）;J的單位為安培/平方毫米（A/mm2）,d的單位為毫米（mm）。導(dǎo)線直徑的選取也可以直接查表獲得，已知繞組電流以后，可以查閱“機(jī)電元件”中有關(guān)導(dǎo)線載流量參數(shù)，確定漆包線直徑參數(shù)。6 .核算變壓器窗口面積在圖2中由參數(shù)B和C決定的硅鋼片窗口面積S0是一定的,S0必須能夠容納繞組，同時(shí)又不可以留有過(guò)大的剩余空間（剩余空間過(guò)大必然增大變壓器體積和重量，浪費(fèi)自然資源，使成本升高）。如果剩余空間不合適，就需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，或者重新選擇鐵芯規(guī)格。由于漆包線圓形截面占正方形面積，線圈層間、組間絕緣材料均需占用一部分窗口面積，每個(gè)繞組所占用的窗口空間Sr不能夠直接用漆包線截面積簡(jiǎn)