變壓器設計的經(jīng)驗總結

一、變壓器原理

當我們把導線(xiàn)插入220V電源插座，就會(huì )發(fā)生短路現象，可是插入變壓器就不會(huì )，區別就在于變壓器原邊的線(xiàn)圈導線(xiàn)是繞在鐵芯上的，難道僅僅因為多了個(gè)鐵芯，導線(xiàn)就失去短路作用了嗎？是的，導線(xiàn)插入鐵芯后就變成了電感線(xiàn)圈，根據楞次定律：感應電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化，(注意：“阻礙”不是“相反”，原磁通量增大時(shí)方向相反，原磁通量減小時(shí)方向相同;“阻礙”也不是阻止，電路中的磁通量還是變化的。)變壓器原邊將產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的反向電動(dòng)勢抵消輸入的220V電壓，導線(xiàn)中僅有微弱的勵磁電流流過(guò)(維持磁場(chǎng)需要有一個(gè)電流)，所以，導線(xiàn)失去了短路作用。

如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線(xiàn)，再把導線(xiàn)插入220V電源插座，是不是就不會(huì )短路了?肯定會(huì )短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無(wú)法產(chǎn)生反向電動(dòng)勢抵消輸入電壓，此時(shí)，導線(xiàn)還是相當于短路線(xiàn)。拆開(kāi)變壓器，可以看到，線(xiàn)圈匝數很多，額定功率越大的變壓器，鐵芯體積越大，其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態(tài)，而不是進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

也就是說(shuō)，我們實(shí)際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們設計變壓器的目的就是保證在額定電壓，額定功率下，變壓器正常工作。如果真的存在理想變壓器就不需要我們設計了。

二、變壓器設計

除了滿(mǎn)足正常工作的要求外，變壓器設計還要滿(mǎn)足：體積、重量、溫度、成本等要求，所以，實(shí)際變壓器的設計可不是一件容易的事情。書(shū)本上的理論分析全都是用的理想變壓器，書(shū)上說(shuō)變壓器可以實(shí)現變壓、阻抗匹配、隔離等等功能，但是隱含前提是變壓器工作在變壓器狀態(tài)，如果飽和了，那就沒(méi)有這些功能了。

一個(gè)實(shí)際變壓器還存在導線(xiàn)電阻、漏感、分布電容、分布電感、溫升(銅損、鐵損)等等問(wèn)題，根據不同的變壓器類(lèi)型，有些參數不能忽略。

制作變壓器我們需要知道以下信息：

1、磁芯規格(磁芯形狀、磁芯大小、磁芯材料)

2、匝數與導線(xiàn)規格(原副邊匝數、導線(xiàn)直徑)

3、損耗與溫升

4、導線(xiàn)結構：多股線(xiàn)或扁平線(xiàn)

5、繞組結構：多層或分段饒制

6、端空設計：按絕緣電位設計端空

磁芯規格其實(shí)就是要確定橫截面積和工作點(diǎn)。一般功率決定橫截面積大小，功率越大，橫截面積越大。有經(jīng)驗公式可以快速根據功率確定橫截面積，也可以直接查表。

磁芯材料確定后，根據其特性曲線(xiàn)，我們要選擇合適的工作點(diǎn)B0。B0太大會(huì )導致磁飽和，太小又會(huì )使得體積龐大、重量沉、功耗大、成本高。

當電源頻率、工作點(diǎn)B0、橫截面積都確定后，就可以計算出每伏匝數，用輸入電壓除以每伏匝數就可以得到原邊匝數。進(jìn)而可以求得副邊匝數。

導線(xiàn)直徑取決于電流密度，而電流密度又取決于電壓調整率或溫升，受二者共同約束，哪個(gè)約束條件算出來(lái)的J值小，就選擇哪個(gè)J值。J值小肯定不會(huì )有溫升/電壓調整率問(wèn)題，但也不是越小越好，J小的話(huà)，導線(xiàn)直徑太粗，銅重量大、體積大、成本高，有時(shí)線(xiàn)包厚度可能超過(guò)鐵芯窗口尺寸，根本無(wú)法繞制。

電流密度J和溫升有什么關(guān)系呢？很多初學(xué)者可能想到去查書(shū)，其實(shí)，變壓器設計是一項實(shí)踐性很強的工作，理論派這時(shí)已經(jīng)玩不轉了，此時(shí)需要大量實(shí)踐經(jīng)驗。也有人可能會(huì )抱怨資料不足，這不是問(wèn)題，沒(méi)有資料可以做實(shí)驗得到。就象沒(méi)有DIP器件封裝數據，你完全可以直接用尺子量出引腳間距來(lái)。不知道程序出錯原因，完全可以通過(guò)調試找到。

溫升和銅損鐵損有關(guān)，和散熱條件有關(guān)，帶散熱片的溫度就低，散熱片上有風(fēng)扇的溫度更低，風(fēng)扇轉速快的肯定溫度又要降低了。此外，還和外部環(huán)境溫度有關(guān)，在南極零下50度，溫升就不是問(wèn)題，在赤道沙漠里，溫升可能導致鐵芯磁特性曲線(xiàn)飄移，進(jìn)而磁飽和，失去變壓器功能?？傊疀Q定溫升的因素很復雜：管芯到封裝的熱阻、接觸面積、接觸面光滑度、導熱硅脂、散熱器材料體積、表面積、鰭形、涂層材料、顏色、空氣密度、流速等共同決定溫升。

因此，電流密度J和溫升的關(guān)系只能憑經(jīng)驗確定了。一般通過(guò)經(jīng)驗公式確定。所謂經(jīng)驗公式是指：通過(guò)一系列結果可重復的實(shí)驗，得到數據曲線(xiàn)，使用數值分析方法多項式擬合，得到經(jīng)驗公式。此公式在我們的經(jīng)驗范圍內正確，可以準確預測結果，可以重復驗證。注意：經(jīng)驗公式存在局限性，如果預測結果不對，就需要再次修正經(jīng)驗公式，增加我們的經(jīng)驗。由此可知，經(jīng)驗越多，越不容易出錯，想要設計好變壓器需要積累大量經(jīng)驗。