赵一强 2010-9-15
一、变压器的结构和工作原理
1、变压器的结构
变压器是一种电磁元件，主要由铁芯和线圈绕组组成。
图1变压器结构示意图；图2 是变压器原理电路图。
图1 变压器结构示意图 图2 变压器原理电路图
twamp2、变压器的工作原理
变压器是一个传输交流电功率的器件，同时起着变压和隔离作用。
工作原理如下：在初级线圈N1上加电源电压U1时, 初级线圈N1中将产生电流I1（空载电流），这个电流将在铁芯中建立磁场，产生磁通Φ。磁通Φ穿过次级线圈时，又在次级线圈中产生电势（电压U2），如果次级线圈接有负载RL，则负载中将产生电流IL。就这样，交流电功率就从变压器的初级电路传到了次级电路。 在空载下，其输出电压：
U2=U1*N2/N1
输出电压与输入电压之比等于次级匝数与初级匝数之比。
从上可知，变压器是通过铁芯的磁场来传递电功率的。借助于磁场实现了初级电路和次级电路的电隔离；又通过改变绕组匝比，来改变次级的输出电压。
二、 变压器特性参数和设计要求
1、磁通密度B和电流密度J
磁通密度（又叫磁感应强度）B和电流密度J是变压器设计的关键参数，直接关系着变压器的体积和重量，B 、J值越高，变压器越轻，但是B 、J的取值受到一定条件的限制，因此，变压器的体积和重量也受到这些条件的限制。
⑴ 磁通密度B
磁通密度B ：磁路单位截面积的磁通量，单位 ：高斯(Gs)或特斯拉（T）。1T=10Gs 。
磁性材料的磁性可用基本磁化曲线表示。基本磁化曲线是磁通密度B与磁场强度H的关系曲线，在基本磁化曲线开始阶段,磁通密度B与磁场强度H基本上成正比，随后增加越来越慢，最后趋于饱和，如图3所示。
图3 铁芯磁化曲线
图3中，Bs—饱和磁感应强度；
Bs—过压保护磁感应强度
Bm—最大磁感应强度（计算值）
导磁率：
饱和磁通密度为Bs和导磁率μ是曲线的两个重要参数。
对于磁性材料，要求Bs、μ 越高越好。Bs高，变压器体积可减小；μ高，变压器空载电流小。 另外，还要求电阻率ρ高，这样损耗小、发热小。
⑵ 电流密度J
电流密度J : 电路单位截面积的电流量，单位 ：安/厘米²（A/cm²）。
变压器绕组导线的电阻：
电流导线中所产生的损耗（铜损）：
可以看出，铜损与电流和电流密度的乘积成正比，就是说，随着电流增加，要保持同样的绕组损耗和温升，必须相应地降低电流密度。
2、铁心、导线和绝缘材料
⑴ 铁心形状和材料
铁心形状：卷绕的有O型、CD/XCD型、ED/XED型、R型、HSD型(三相)，
冲片的有EI、CI型；这是我们常用两种冲片。
微安表铁心材料牌号：硅钢（含硅量在2.3~3.6%）
冷轧无取向硅钢带：含硅量低（在0.5~2.5%）；厚0.35、0.5、0.65mm,我们常用0.5mm； B 高、μ高，铁损大，价格较低，多用于小功率工频变压器。
冷轧取向硅钢带：含硅量较高（在2.5~3%），厚0.27、0.3、0.35mm, 我们常用0.35mm；B 高、μ高，铁损小，价格较高，多用于中大功率工频变压器。
⑵ 线圈导线材料
油性漆包线Q 0.05~2.5 耐温等级 A 105℃
塑醛漆包线QQ 0.06~2.5 耐温等级 E 120℃
聚酯漆包线QZ 0.06~2.5 耐温等级 B 130℃
耐压均在600V以上。最常用的是QZ 漆包线。
线圈允许的平均温升⊿τm =线圈绝缘所允许的最高工作温度-最高环境温度-（5—10K）, 通常不超过60℃。5—10K是考虑线圈最高温度与平均温度之差，功率大取大值。
⑶ 层间绝缘材料
500V 以下不需要层间绝缘。各绕组间应垫绝缘0.03 聚酯薄膜2~3层。
3、电源变压器的主要技术参数
1输出功率（视在功率、容量、VA数）
3电源电压、频率及变化范围
4效率
5空载电流及空载损耗
6绕组平均温升
7输入功率因数
8耐压
9环境温度、湿度等
10其他 （体积、成本、重量、漏磁、噪音等）
四、变压器的基本关系式
以下是工频变压器常用计算公式。利用这些公式可以在没有手册的情况下计算所需要的变压器，只要Bm和J取的合适，误差不大。Bm和J的选取主要决定于输出功率，Bm的选取还与铁芯材料有关。
1、初级电压
U1=4.44f Bm Sc N1×10
式中： U数字家庭影院1---初级电压（有效值），V；
f---电源频率，Hz；
Bm---磁感应强度（幅值），Gs；
Sc---净铁面积，cm；
N1---初级绕组匝数。
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2、初级功率（有功功率）
P1=2.22f Bm J Sm Sc×10
式中： P1---初级功率, w ；
J ---电流密度，A/mm；
Sm---净铜面积，cmj型密封圈。
3、初级伏安（视在功率）
VA1=4.44f Bm J Sm Sc×10/（1+COSφ） ---磁化电流较大时
VA1=2.22f Bm J Sm Sc×10= P1 --磁化电流可忽略时
4、功率因数
COSφ= P1 / VA1=1/1+（Iφ/ I1）
式中： Iφ---初级磁化电流，A；
I1 ---初级电流，A。
5、初级磁化伏安
VAφ = U1×Iφ
= 4.44f Bm Sc N1 Iφ×10
= 4.44f Bm H Sc lc×10
式中： H --磁场强度，Oe；
lc—平均磁路长度，cm。
6、铁心损耗
Pc=P10/f Gc Bm×10
式中： P10/f---在Bm=10000Gs和对应频率f下，单位重量的铁损，w；
Gc—铁重，kg；
7、铜损
⑴ 温升支配的变压器
Pm =ZJGm；
式中： Gm—铜重，kg；
Z —1.96KT
KT = rt/ r20 (对应105—130℃铜温KT = 1.22—1.31)
⑵ 电压调整率支配的变压器
Pmφ= Pm（1+COSφ）/ COSφ
8、电压调整率和次级电压
电压调整率 ΔU％= Pm/P1 ( 不计Iφ )
次级电压空载电压 U20 = U1* N2/N1
次级电压负载电压 U2 = U20(1-ΔU％)
9、输出功率
P2= P1-(Pc+Pmφ)
10、效率
η = P2/P1
11、频率对VA1的影响
VA1∝ f / ； Pc∝ f
P10/50=1.04, P10/400=13，所以，同一号铁心，400Hz比50Hz变压器容量约大2.3倍。
12、 铁心初选
ScoSmo= (1+η)/η×10 cm
式中： Po---即∑P2 ，VA；
肩扛式摄像机 Km---铜占空系数，取0.2—0.3 ，与导线直径有关；
Kc---铁占空系数，取0.82—0.88 ，与冲片厚度有关；
Smo ---铜的窗口面积，cm ；Sm=KmSmo；
Sco --- 铁心截面积，cm；Sc=KcSco ；
Bm --- 磁感应强度（幅值），Gs；
η --- 效率；
J --- 电流密度，A/mm；
f --- 频率，Hz 。
说明：1、公式1---11摘自“电源变压器和滤波阻流圈典型计算参考资料 四机部工作组 1970年” ，仅适用于400Hz、50Hz电源变压器。
2、公式12摘自“电源变压器 （俄文版） 1959”。
五、工频变压器的设计
以下设计计算是针对EI 型冲片式工频变压器。其他形式变压器可作为参考。
1、列出技术要求
额定输出电压，额定输出电流、额定输出功率（伏安）；
输入电压范围、工作频率（50/60HZ）；
外形及安装要求；
工作条件，如环境温度，有无通风，工作制，工作寿命等。
2、明确设计准则：
主要有三种设计准则：
⑴ 按允许电压调整率准则设计；
⑵ 按允许温升及重量最轻准则设计；
⑶ 按允许温升及成本最低准则设计。
10W以下的工频变压器按电10 %压调整率来设计。材料用0.5 mm厚的低牌号冷轧无取向硅钢片，如：50W800,1000,1300。其温升较低，功率越小温升越低。
10—60W的工频变压器也按电压调整率设计，材料用0.5 mm厚的高牌号冷轧无取向硅钢片，如：50W540,600,800。其温升接近允许值。
60瓦以上的工频变压器按允许温升设计。材料用0.5 mm厚的高牌号冷轧无取向硅钢片如：50W350,-540，也可用0.35的冷轧无取向硅钢片35Q145、155、165。功率越大，其电压调整率越小；例如：；200W的变压器其电压调整率为6.9 % ；1KW的变压器仅2.5%。
为了降低成本，可以采用铝漆包线，此时要增加铁片的厚度，减小导线匝数、增加铝线的截面积；也可以采用铁多铜少的铁芯冲片，减小铜导线的截面积，从而减小铜重。
3、计算总输出功率（容量）
总输出功率是设计变压器的主要参数之一。它是决定变压器的重量的最重要的参数，输出功率越大，变压器越重。
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