工頻變壓器設計原理分析

工頻變壓器被大家稱(chēng)為低頻變壓器,以示與開(kāi)關(guān)電源用高頻變壓器有區別，工頻變壓器在過(guò)去傳統的電源中大量使用，而這些電源的穩定方式又是采用線(xiàn)性調節的，所以那些傳統的電源又被稱(chēng)為線(xiàn)性電源。

　　工頻變壓器的原理非常簡(jiǎn)單，理論上推導出相關(guān)計算式也不復雜,所以大家形成了看法:太簡(jiǎn)單了，就那三、四個(gè)計算公式,沒(méi)什么可研究的.設計時(shí)只要根據那些簡(jiǎn)單的公式,立馬成功。

　　我認為上面的認識既有可取之處,也有值得研究的地方.可取之處:根據計算式,可以很快就計算出結果,解決了問(wèn)題;值得研究的地方是:你是否了解自己設計出的產(chǎn)品性能?設計合理嗎?設計優(yōu)化過(guò)嗎?經(jīng)濟性如何?

　　舉個(gè)例子吧,根據功率選鐵芯規格就是個(gè)很繁雜的問(wèn)題,因為涉及的因素比較多.有些書(shū)推薦采用下面的半經(jīng)驗公式去選取:

　　S = K·Sqrt(P) (1)

　　定下S后,然后進(jìn)行其它的計算.這確實(shí)是一種實(shí)用的方法,但也要認識到,這也是一種簡(jiǎn)化了的設計方法,大多數情況下存在著(zhù)浪費.這種設計方法對業(yè)余愛(ài)好者來(lái)說(shuō)用不著(zhù)討論(只是偶爾設計一個(gè)變壓器自己用),但對企業(yè)來(lái)說(shuō),值得討論,產(chǎn)品中大批量采用這種設計時(shí),體現的是降低了經(jīng)濟效益。

　　那么,在專(zhuān)業(yè)的場(chǎng)合,比如變壓器生產(chǎn)企業(yè),他們是怎樣的方法?

　　原理上,是根據導線(xiàn)在窗口中的占用系數去選取鐵芯規格,但這樣的計算很繁,而且關(guān)系不簡(jiǎn)單,比如相關(guān)計算式是:

　　P = 0.0222·f·B·J·Sc·Sm (2)

　　當電流密度由電壓調整率決定時(shí),計算式為：

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

　　這樣復雜的關(guān)系,要人工拿出一個(gè)設計方案是非常頭疼的,于是,專(zhuān)家們就根據實(shí)際情況,將這些關(guān)系結合數據編制成一系列表,設計工程師只要根據不同的設計指標查對應的表,就可以得到一組實(shí)用的數據,比如根據功率及其它指標查表,得到鐵芯規格等。

　　這種方法帶來(lái)的便利是如此之大,使得可以較快地拿出一些方案,再結合經(jīng)驗的積累,可以對方案做適當判斷,再作出優(yōu)化.即使如此,這種方法也存在著(zhù)兩個(gè)大的不足,一是專(zhuān)家們不可能作出所有的系列表,二是工程師們要拿出比較完整的設計出的產(chǎn)品參數,也得花費大量的時(shí)間去一一計算,一天要搞幾個(gè)方案出來(lái)工程師的頭肯定大了.好在現在的電腦應用普及了,專(zhuān)門(mén)的軟件也有了,可讓電腦去做呆板的計算工作,工程師只關(guān)注方案的設計和優(yōu)化。

　　再比如,對于電流密度的選取,簡(jiǎn)單設計中一般建議為2.5A~3A/(mm·mm),但根據(3)式,小功率調整率大時(shí),電流密度可以取的很大,能達到8~9A/(mm·mm)[參見(jiàn)本欄做低lEI型浩韉倪M(jìn)砹囊渙奶,我在那里給樓主提供了六個(gè)方案],這時(shí)的溫升仍然不大,變壓器可以安全工作,這種設計在保證安全的前提下,一般可以減少用銅量,在銅價(jià)很高的情況下,降低了成本;而大功率調整率受限時(shí),電流密度有可能小于2A/(mm·mm),否則可能使得變壓器溫升過(guò)高燒毀變壓器.需要強調說(shuō)明的是,電流密度不是隨便可以提高的,是和設計時(shí)的指標聯(lián)系在一起計算給出的,隨便提高往往導致性能惡化,甚至燒毀變壓器。

　　也許有人認為：何必那樣斤斤計較?我不這樣認為,都說(shuō)國外的經(jīng)濟增長(cháng)如何如何節約能源、節約原材料,難道那不是一點(diǎn)一點(diǎn)摳出來(lái)的?開(kāi)關(guān)電源的效率從何而來(lái),不也是一點(diǎn)一點(diǎn)研究出來(lái)的嗎?既然道理如此,如果真的從事工頻變壓器生產(chǎn)和設計,就必須認真做好自己的本行,搞清自己的工作相關(guān)內容.設想一下,某企業(yè)產(chǎn)品需要各類(lèi)變壓器,欲招聘一工程師從事設計,給幾個(gè)實(shí)例讓當場(chǎng)設計,甲、乙兩工程師設計的結果都滿(mǎn)足要求,但甲的成本平均比乙的低10%,你說(shuō)企業(yè)會(huì )錄用誰(shuí)?

　　從節約能源及原材料的角度，在這里與大家分享：

　　1、減少銅的用量,有兩個(gè)方面可以實(shí)現,一是減少線(xiàn)徑這就意味著(zhù)銅阻增大,銅損損耗就會(huì )增大.二是減少圈數,就會(huì )使空載電流增大,同樣空載損耗就會(huì )加大,如果變壓器長(cháng)時(shí)間的處于通電待機狀態(tài),電力資源的浪費是非常大的.每年我國因為家用電器的長(cháng)期處于待機通電狀態(tài)造成的電力浪費以數十億元計。

　　2、變壓器設計時(shí)應使銅損和鐵損相等,這樣變壓器的損耗最低,工作最穩定,如果一個(gè)變壓器設計完后,由于為節省銅線(xiàn),而采取小號的線(xiàn)徑和減少圈數的方法,使得鐵心窗口還有很多的空間余量,這樣就說(shuō)明鐵心的尺寸選擇的過(guò)大,造成了鐵心的浪費,由于鐵心的規格大,繞線(xiàn)的平均周長(cháng)也大,同樣會(huì )造成銅線(xiàn)的用量增加.根據現在的價(jià)格,鐵心的成本要高于銅線(xiàn)的成本。

　　所以在設計時(shí),在保證性能滿(mǎn)足客戶(hù)的要求的情況下,應盡量選擇小號的鐵心,能用41的,就絕不用48的.關(guān)于空載電流,從節省待機的損耗上考慮,還是盡量低的好。