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
2、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。
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、0.35鸟笼灯mm, 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)
2输出电压及电压调整率和要求
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: U1---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。
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,cm。
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挂墙柜和对应频率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,生产Hkg;
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)
梁延淼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交通管理信息系统
式中: Po---即∑P2 ,VA;
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。
滨州玻璃垫片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。