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低压电器

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浅谈工频变压器的设计原理

导读: 变压器设计时应使铜损和铁损相等,这样变压器的损耗最低,工作最稳定,如果一个变压器设计完后,由于为节省铜线,而采取小号的线径和减少圈数的方法

  工频变压器被大家称为低频变压器,以示与开关电源用高频变压器有区别,工频变压器在过去传统的电源中大量使用,而这些电源的稳定方式又是采用线性调节的,所以那些传统的电源又被称为线性电源。

  工频变压器的原理非常简单,理论上推导出相关计算式也不复杂,所以大家形成了看法:太简单了,就那三、四个计算公式,没什么可研究的。设计时只要根据那些简单的公式,立马成功。

  我认为上面的认识既有可取之处,也有值得研究的地方。可取之处:根据计算式,可以很快就计算出结果,解决了问题;值得研究的地方是:你是否了解自己设计出的产品性能?设计合理吗?设计优化过吗?经济性如何?

  举个例子吧,根据功率选铁芯规格就是个很繁杂的问题,因为涉及的因素比较多。有些书推荐采用下面的半经验公式去选取:

  S = K·Sqrt(P) (1)

  定下S后,然后进行其它的计算。这确实是一种实用的方法,但也要认识到,这也是一种简化了的设计方法,大多数情况下存在着浪费。这种设计方法对业余爱好者来说用不着讨论(只是偶尔设计一个变压器自己用),但对企业来说,值得讨论,产品中大批量采用这种设计时,体现的是降低了经济效益。

  那么,在专业的场合,比如变压器生产企业,他们是怎样的方法?

  原理上,是根据导线在窗口中的占用系数去选取铁芯规格,但这样的计算很繁,而且关系不简单,比如相关计算式是:

  P = 0.0222·f·B·J·Sc·Sm (2)

  当电流密度由电压调整率决定时,计算式为:

  P = 0.0555(f·f)(B·B)(Sc·Sc)·Sm·ΔU/(Z·Lm) (3)

  这样复杂的关系,要人工拿出一个设计方案是非常头疼的,于是,专家们就根据实际情况,将这些关系结合数据编制成一系列表,设计工程师只要根据不同的设计指标查对应的表,就可以得到一组实用的数据,比如根据功率及其它指标查表,得到铁芯规格等。

  这种方法带来的便利是如此之大,使得可以较快地拿出一些方案,再结合经验的积累,可以对方案做适当判断,再作出优化。即使如此,这种方法也存在着两个大的不足,一是专家们不可能作出所有的系列表,二是工程师们要拿出比较完整的设计出的产品参数,也得花费大量的时间去一一计算,一天要搞几个方案出来工程师的头肯定大了。好在现在的电脑应用普及了,专门的软件也有了,可让电脑去做呆板的计算工作,工程师只关注方案的设计和优化。

  再比如,对于电流密度的选取,简单设计中一般建议为2.5A~3A/(mm·mm),但根据(3)式,小功率调整率大时,电流密度可以取的很大,能达到8~9A/(mm·mm)[参见本栏"會做低頻EI型變壓器的進來聊一聊"贴,我在那里给楼主提供了六个方案],这时的温升仍然不大,变压器可以安全工作,这种设计在保证安全的前提下,一般可以减少用铜量,在铜价很高的情况下,降低了成本;而大功率调整率受限时,电流密度有可能小于 2A/(mm·mm),否则可能使得变压器温升过高烧毁变压器。需要强调说明的是,电流密度不是随便可以提高的,是和设计时的指标联系在一起计算给出的,随便提高往往导致性能恶化,甚至烧毁变压器。

  也许有人认为:何必那样斤斤计较?我不这样认为,都说国外的经济增长如何如何节约能源、节约原材料,难道那不是一点一点抠出来的?开关电源的效率从何而来,不也是一点一点研究出来的吗?既然道理如此,如果真的从事工频变压器生产和设计,就必须认真做好自己的本行,搞清自己的工作相关内容。设想一下,某企业产品需要各类变压器,欲招聘一工程师从事设计,给几个实例让当场设计,甲、乙两工程师设计的结果都满足要求,但甲的成本平均比乙的低10%,你说企业会录用谁?

  从节约能源及原材料的角度,在这里与大家分享:

  1、减少铜的用量,有两个方面可以实现,一是减少线径这就意味着铜阻增大,铜损损耗就会增大。二是减少圈数,就会使空载电流增大,同样空载损耗就会加大,如果变压器长时间的处于通电待机状态,电力资源的浪费是非常大的。每年我国因为家用电器的长期处于待机通电状态造成的电力浪费以数十亿元计。

  2、变压器设计时应使铜损和铁损相等,这样变压器的损耗最低,工作最稳定,如果一个变压器设计完后,由于为节省铜线,而采取小号的线径和减少圈数的方法,使得铁心窗口还有很多的空间余量,这样就说明铁心的尺寸选择的过大,造成了铁心的浪费,由于铁心的规格大,绕线的平均周长也大,同样会造成铜线的用量增加。根据现在的价格,铁心的成本要高于铜线的成本。

  所以在设计时,在保证性能满足客户的要求的情况下,应尽量选择小号的铁心,能用41的,就绝不用48的。关于空载电流,从节省待机的损耗上考虑,还是尽量低的好。
 

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