小型電壓變壓器的設(shè)計(jì)與制作

1、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、次級電壓、電流、整流電 路類型、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

2、工作頻率較高的場合，應(yīng)選用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代號厚度(mm)鐵損(W/kg )不大于磁感應(yīng)強(qiáng)度不小于疊裝系數(shù)(%)密度(g/cm3)彎曲次數(shù)B10B25B50B100P10/50P15/50P17/50(Wb/m2)熱軋硅鋼片D210.502.56.11.481.591.78927.70D220.502.25.31.511.611.74927.70D230.502.15.11.541.641.76927.70D320.501.84.01.501.611.74917.654D320.351.43.21.501.611.74907.655D4

3、20.501.353.151.451.561.68917.551D430.501.202.901.441.551.67917.551D420.351.152.801.451.561.68907.551.5D430.351.052.501.431.541.66907.551.5冷 軋硅 鋼片無取向W210.502.35.31.541.64967.75W220.502.04.71.521.62967.75W320.501.63.61.501.60957.655W330.501.43.31.501.60957.655W320.351.253.11.481.58947.655W330.351.052.

4、71.481.58947.655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)，線圈鐵芯中會出現(xiàn)兩種損耗：其一是鐵磁材料 會被交流電流產(chǎn)生的磁場反復(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，在交變磁場中會感應(yīng)出交變的漩渦 狀感生電流，稱為

5、“渦流”，渦流在鐵芯中流動(dòng)，使鐵芯發(fā)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2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20C、磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的條件下測定的，在工程中鐵損用Pi。/、P15/50、P17/50表示，其中下腳標(biāo)表示測定條件為交流頻率 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， 電流通過導(dǎo)線 電阻會產(chǎn)生熱效應(yīng)， 消耗能量， 形成銅損 （

6、由于變壓器導(dǎo)線一般為銅導(dǎo)線， 故將導(dǎo)線電阻形 成的損耗一概叫做銅損） ，銅損與鐵心材料無關(guān)。銅損也使變壓器溫度升高，效率降低。2 .不同磁場強(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（即磁動(dòng)勢，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 （簡稱磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁 感），單位為 T。例如 B10 為交變磁場的峰值但到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

7、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， 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)參見本書之“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)格都符合國家的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， 為標(biāo)準(zhǔn)

8、件。按照所選用硅鋼片形狀區(qū)分，常見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 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，I 為平均磁路長度，S0為窗口面積。表 2 中除SD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 上直接采購。 絕緣紙是用來增強(qiáng)線

9、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 度增加，會增加制作成本。當(dāng)采用的漆包線直徑較粗、表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

10、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)電材料間隔開來， 作為繞組 之間的電屏蔽層。表 2 部分常用 E 型硅鋼片參數(shù)3型號ABCDEFGnbcdlSoGEI106.5186.56.5313629.53.2524.53.255.661.17GEI128228838443643046.811.76GEI14925994350414.5344.57.862.25GEI168248840484043248.931.92GEI161028101048564653859.032.8GEI191233.5121257.567556

11、45.5610.734.02GEI2010301010506050540511.143.00GEIB22143914146778647537512.445.46GEIB2512.537.512.512.562.57562.56.25506.255.513.944.69GEIB26174717178194778.5648.55.514.77.99GEIB281442141470847075675.515.65.88GEIB30154515157590757.5607.55.516.76.75GEIB301953191991106879.5729.55.516.910.07GEIB32164816

12、168096808648617.87.68GEIB32328016161121281128968627.425.6GEIB35195417.51992108918.5739.5620.115.26GEIB352261.52222105.51231011183.511619.7513.53GEIB38226019221041201019.58211622.413.20GEIB402672262612414411813981327.9618.72GEIB40401002020140160140101201034.2840.00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

13、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，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 l2n（這里用下角標(biāo) n 標(biāo)注第 n 個(gè)次級繞組的輸出參數(shù)），設(shè)變壓器次級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不僅與該繞組的輸出電壓U21、輸出電流丨丨21有關(guān)，而且還與整流電路和變壓器結(jié)構(gòu)的類型相關(guān)，參見表 3。表 3變壓器次級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三相橋式三相雙星P21計(jì)算公式3.49 U211211.49U211211.23 U21I2

14、11.51U21I211.05 U21I211.28U21I21變壓器輸出總功率式中2 計(jì)算變壓器輸入功率 Pi利用變壓器的效率公式可計(jì)算出變壓器的初級繞組輸入功 率式中n為變壓器的效率，一般來說變壓器的容量Si越大（變壓器的次級視在功率，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。n值的選取可利用圖 3，根據(jù)容量近似讀取。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 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

15、。對于 D41、D42 硅鋼片，K=1.25 ; 功率大4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 式中，Si的單位為伏安（VA）, SFe的單位為平方厘米（cm2）。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：入的取值可參見表 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 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)N0：這里，

16、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, 般硅鋼片取 0.70.8T,普 通鐵片取 0.50.7T,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)S的影響，對于初級繞組（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：而對于次級各繞組，實(shí)際匝數(shù)應(yīng)略大于理論值：一般取 A0.020.05，容量小的變壓器所使用的導(dǎo)線細(xì)，阻抗大，壓降

17、大，3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,次級繞組的電流已經(jīng)由負(fù)載電路確定，初級繞組的電流 Ii可以用初級繞組電壓 Ui和變壓器輸入功率 Pi計(jì)算出來： 系數(shù)是由于變壓器空載時(shí)初級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J。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 小,不僅會增大變壓器的體積、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

18、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 So是一定的，S0必須能夠容納繞組,同時(shí)又不可以留有過大的剩余空間（剩余空間過大必然增大變壓器 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單