浅谈变压器的设计一点经验

变压器的设计需要注意的点比较多,根据楞次定律:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,原磁通量增大时方向相反,原磁通量减小时方向相同。变压器原边将产生一个大小相等,方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压,导线中仅有微弱的励磁电流流过。

变压器的绕组是变压器的电路部分,它是用双丝包绝缘扁线或漆包圆线绕成变压器的基本原理是电磁感应原理,现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理:当一次侧绕组上加上电压Ú1时,流过电流Í1,在铁芯中就产生交变磁通Ø1,这些磁通称为主磁通,在它作用下,两侧绕组分别感应电势É1,É2,感应电势公式为:E=4.44fNØm

式中:

E--感应电势有效值

f--频率

N--匝数

Øm--主磁通最大值。

由于二次绕组与一次绕组匝数不同,感应电势E1和E2大小也不同,当略去内阻抗压降后,电压Ú1和Ú2大小也就不同。当变压器二次侧空载时,一次侧仅流过主磁通的电流,这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流时,也在铁芯中产生磁通,力图改变主磁通,但一次电压不变时,主磁通是不变的,一次侧就要流过两部分电流,一部分为激磁电流,一部分为用来平衡。所以这部分电流随着平衡电流变化而变化。当电流乘以匝数时,就是磁势。

变压器线圈匝数很多,额定功率越大的变压器,铁芯体积越大,其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态,而不是进入磁饱和状态。实际中使用的变压器都是非理想的,有可能进入磁饱和状态,从而失去变压器功能。我们设计变压器的目的就是保证在额定电压,额定功率下,变压器正常工作。变压器存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升、铜损、铁损等问题,根据不同的变压器类型,有些参数不能忽略。制作变压器我们需要知道以下信息:(1)磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料);(2)匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径);(3)损耗与温升;(4)导线结构:多股线或扁平线;(5)绕组结构:多层或分段饶制;(6)端空设计:按绝缘电位设计端空。

磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小,功率越大,横截面积越大。有经验公式可以快速根据功率确定横截面积,也可以直接查表。磁芯材料确定后,根据其特性曲线,我们要选择合适的工作点B0。B0太大会导致磁饱和,太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高。当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后,就可以计算出每伏匝数,用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。

导线直径取决于电流密度,而电流密度又取决于电压调整率或温升,受二者共同约束,哪个约束条件算出来的J值小,就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题,但也不是越小越好,J小的话,导线直径太粗,铜重量大、体积大、成本高,有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸,根本无法绕制。

电流密度J和温升有什么关系呢?很多初学者可能想到去查书,其实,变压器设计是一项实践性很强的工作,理论派这时已经玩不转了,此时需要大量实践经验。也有人可能会抱怨资料不足,这不是问题,没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据,你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因,完全可以通过调试找到。

温升和铜损铁损有关,和散热条件有关,带散热片的温度就低,散热片上有风扇的温度更低,风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外,还和外部环境温度有关,在南极零下50度,温升就不是问题,在赤道沙漠里,温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移,进而磁饱和,失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂:管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。

电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了。一般通过经验公式确定。所谓经验公式是指:通过一系列结果可重复的实验,得到数据曲线,使用数值分析方法多项式拟合,得到经验公式。此公式在我们的经验范围内正确,可以准确预测结果,可以重复验证。注意:经验公式存在局限性,如果预测结果不对,就需要再次修正经验公式,增加我们的经验。由此可知,经验越多,越不容易出错,想要设计好变压器需要积累大量经验。

变变压器的匝数设计,先设计好原边的匝数后,根据变比来计算付边匝数。这样一来会有个问题,就是计算出来的付边匝数大都不是整数,大家都喜欢四舍五入来取整,这样就带来一个问题。由于付边的匝数很少,四舍五入引起的误差比率就会很大。在这里,我们可以根据计算出来的付边匝数选择一个合适的整数,通过变比反推原边的匝数,然后取整。由于原边的匝数较多,取整带来的误差就相对较小。

变压器是一种商品,我们没有必要每次都从头设计,那样太浪费时间。此时,利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度。

以上个人愚见,有问题互相探讨。

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  • wufa222 2021-08-25 22:41
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  • 闪耀的空白 2020-12-26 16:36
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