工频变压器

设计选材

　　从节约能源及原材料的角度，可采取以下建议：

　　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，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。

设计计算

　　理论计算完成后还需要实际测试效果进行验证，因为铁心参数，制作工艺可能和我们假设的不一样，所以设计完成后基本都需要再根据实测结果进行调整。

　　要求：

　　高压输出：260V，150ma ；

　　灯丝1：5V，3A；

　　灯丝2：6.3v，3A 中心处抽头；

　　初、次级间应加有屏蔽层。

　　根据要求铁芯型号采用“GEIB一35”。

　　计算如下：

　　（1）计算变压器功率容量（输入视在功率）：

　　P ＝（1.4×高压交流电压×电流＋灯丝1电压×电流＋灯丝2电压×电流）/ 效率

　　＝（1.4×260×0.15＋5×3＋6.3×3）/ 0.9

　　＝（54.6＋15＋18.9）/ 0.9

　　＝ 98.33VA

　　（2）计算原边电流

　　I1＝1.05×P / 220＝0.469A

　　（3） 按照选定的电流密度（由计划的连续时间决定），选取漆包线直径。

　　如按照3A/mm2计算：D＝0.65×√I （0.65×电流的开方）

　　并规整为产品规格里有的线径（可查资料）：

　　选定：

　　原边直径D1＝0.45mm

　　高压绕组直径D2＝0.25mm

　　灯丝绕组直径D3＝D4＝1.12mm

　　(4） 铁心截面面积

　　S0＝1.25√（P）＝1.25×√98＝12.5CM2

　　（5）铁心叠厚：

　　根据他的要求铁芯型号采用“GEIB一35”，

　　查到：舌宽＝35MM＝3.5CM

　　则：叠厚＝12.5 / 3.5 ＝3.6CM

　　一般地（叠厚/舌宽）在1－2之间是比较合适的。

　　（6）铁心有效截面积：

　　S1＝舌宽×叠厚 / 1.1 ＝ 11.454 CM2

　　（7） 计算每伏匝数

　　计算式：每伏匝数n＝（45000）/（B×S1）

　　其中

　　B＝10000－12000（中等质量硅钢片，如原先上海无线电27厂产品铁心）

　　或15000（Z11等高质量硅硅片）

　　或8000（电动机用硅钢片）。

　　S1：铁心有效截面积，等于（舌宽×叠厚）/1.1

　　假定是中等质量铁心，并且保守点，取B＝10000

　　则：

　　n＝450000 / B×S1

　　= 450000 /（10000×11.454）

　　＝3.93 (T / V )

　　（8）计算每组匝数

　　原边圈数：N1＝220n＝220×3.93×0.95＝822（T）

　　副边高压：N2＝260×1.05×n＝1073（T）－－这是一半，还要再×2＝2146T。

　　灯丝1（5V）： N3＝5×1.05×n＝21（T）

　　灯丝2（6.3V）：N3＝6.3×1.05×n ＝26（T）

　　（10）计算每层可绕圈数（窗口高度两端要留下3MM）：

　　查得该铁心窗口高度h＝61.5mm，

　　查表得知：选用的漆包线带漆皮外径

　　D1Max＝0.51mm

　　D2Max＝0.30mm

　　D3Max＝1.23mm

　　D4Max＝1.23mm

　　按照 每层可绕：N ＝（h－0.5－2×3）/（K×DMax）计算

　　（分子的含义是：由h＝61.5mm＝＝》可绕线宽度为61.5－0.5－2×3＝55mm）

　　（分母是排线系数K×外径DMax，对于初学者，小于0.3的线K＝1.20，0.3－0.8的线K＝1.15，大于0.8的线K=1.10。。如您已经有较好的绕线经验，K可以＝105～102）

　　代入上述数据得到：

　　原边每层可绕：94圈

　　高压每层可绕：154圈

　　灯丝每层可绕：39圈（有讨论）。

　　（也可以直接查“每厘米可绕圈数表”得到）

　　（11）各绕组的层数

　　前面已经算出各组圈数则，则各绕组的层数：

　　原边＝822/ 94＝8.74，取9层

　　高压＝2146/154＝13.94，取14层

　　灯丝1：1层，

　　灯丝2：1层。

　　（12）绝缘设计

　　骨架，用1MM厚红钢纸，外加0.15MM覆膜青壳纸1层＋0.08MM电缆纸1层；

　　原边绕组垫纸用0.08MM电缆纸；

　　副边高压绕组垫纸用0.05MM电缆纸；

　　组间绝缘用0.08MM电缆纸1层＋0.15MM覆膜青壳纸2层＋0.08MM电缆纸1层；

　　（绕组外绝缘同组间绝缘）

　　（13）计算线包（压实的）厚度：

　　＝（1＋0.15+0.08）        （骨架及内层绝缘）

　　＋（9×0.51＋8×0.08）  （原边绕组）

　　＋（0.08×2＋0.15×2）  （组间绝缘1）

　　＋（隔离层，如可能用0.05铜箔，如无，就用与高压绕组同直径的线绕一层代）

　　＋（0.08×2＋0.15×2）  （组间绝缘2）

　　＋（14×0.30＋13×0.05）（高压绕组）

　　＋（0.08×2＋0.15×2）  （组间绝缘3）

　　＋（1.23）               （灯丝1）

　　＋（0.08×2＋0.15×2）  （组间绝缘4）

　　＋（1.23）               （灯丝2）

　　＋（0.08×2＋0.15×2）  （线包外间绝缘）

　　＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋1.23＋0.46＋1.23＋0.46

　　＝16.37mm

　　（14）检验“蓬松系数”

　　蓬松系数＝铁片窗口宽度 / 线包（压实的）厚度

　　“蓬松系数”一般可以在1.2－1.3间，蓬松系数小者要注意绕的十分紧才行，蓬松系数过大说明选的铁心规格大了，要重选重算。对于经验不多的初学者，不妨以1.3－1.35进行检验。不然可能绕完了发现装不进铁片。

　　检验：

　　蓬松系数＝22 / 16.37 ＝ 1.34

　　很合适的呀。

　　（15）修正方案：：

　　灯丝绕组可以选用0.8nn直径漆包线2根并绕（0.80线外径0.89，每层可绕54圈，6.3V绕组26×2，刚好可以绕下）。这样导线可以分布开来不至于只有半边，绕出来的线包就比较平整。还可以减小绕组厚度。

　　这时，

　　计算线包（压实的）厚度：

　　＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋0.89＋0.46＋0.89＋0.46

　　＝15.69mm

　　蓬松系数＝22 / 15.69 ＝1.41

　　这就非常之宽松了，说明选的铁心规格大了，利用手头现有铁心当然可以。保证可以成功。

　　计算完毕。

设计绕制

　　各种家用电器中，工频变压器无论是自行设计绕制，还是修复烧坏的变压器，都涉及到部分简单的计算，教科书上的计算公式虽然严谨，但实际运用时显得复杂，不甚方便。本文介绍实用的变压器计算的经验公式。

　　1．铁芯的选择

　　根据自己需要的功率选择合适的铁芯是绕制变压器的步。如果铁芯(硅钢片)选用过大，将导致变压器体积增大，成本升高，但铁芯过小，会增大变压器的损耗，同时带负载能力变差。

　　为了确定铁芯尺寸，首先要算出变压器次级的实际消耗功率，它等于变压器次级各绕组电压、负载电流的乘积之和。如果是全波整流变压器，应以变压器次级电压的1／2计算。次级绕组消耗功率加入变压器本身损耗功率，即为变压器初级视在功率。一般次级绕组功率在10w以下的变压器，其本身损耗可达次级实际消耗功率的30～50％，其效率仅为50～70％。次级绕组功率在30W以下损耗约20～30％，50W以下损耗约15～20％，100w以下损耗约10～15％，100W以上损耗约10％以下，上述损耗参数是关于普通插片式变压器的。如果按照R型变压器、c型变压器、环形变压器的顺序，损耗参数依次减小。

　　根据上述计算的变压器初级总功率可以选定铁芯。铁芯面积S=a×b（cm2)．如附图所示。变压器视在功率与s的关系用下述经验公式选用：s=K√P1

　　P1为变压器初级总视在功率，单位为：VA(伏安)，s为应选铁芯截面积，K为一系数，随变压器Pl大小不同选用不同的值。同时考虑到硅钢片之间的绝缘漆、空隙的影响，K与P1关系为：

　　P1          K值

　　10VA以下    2～2．2

　　50VA以下    2～1．5

　　lOOVA以下   1．5～1．4

　　2．每伏匝数计算

　　选定铁芯s以后。再确定每伏匝数，以使绕制的变压器有台理的激磁电流。常用的经验公式为：N=(40～55)/S，N为每伏匝数。

　　根据不同质量的硅钢片选取系数40～55。比较的高硅钢，用眼观察表面有鳞片结晶．且极脆，只弯折1～2次即断裂，断处参差不齐，系数取为40。若硅钢片表面光洁，弯折4～5次仍不易断，断面为整齐直线，系数取50以上。

　　求出每伏匝数后乘以220V即为初级匝数，乘以次级要求电压数即为次级各绕组匝数。因为导线有电阻，电流流过时会有电压降，求出的次级匝数应增加5～lO％(根据负载电流选择，电流大者可增加较大比例)。

　　3．导线直径的选择

　　根据各绕组负载电流的大小，选择不同直径的漆包线。可用下列经验公式求出：

　　d=O．8√I，

　　单位：l--A．d(导线直径)--mm。

　　4．绕制方法及注意事项

　　由于现在的漆包线绝缘强度大幅度提高，因此对50W以下的小功率变压器大多采用阻燃塑料骨架叠绕法，但必须选用高强度漆包线，且绕制时仍应逐圈排线，严禁大幅度斜跨，以免增大导线间电位差。

　　对50W以上的变压器，由于每伏匝数减少，导线间电压差较高，采取每层垫绝缘纸（O．05mm厚的电缆纸、牛皮纸）的方法，在绕制中应避免上层导线滑入下层。各绕组间绝缘应视绕组电压决定。初次级之间应垫4层以上0．1mm的电缆纸，忌用不干胶胶带。上述叠绕法的小功率变压器，如果次级有两组以上绕组，每组之间也应用两层电缆纸绝缘。如果变压器是用在音响或视听器材中．在多层绕制法中初次级之间应垫入静电屏蔽层。

　　绕好后．插硅钢片也需注意、必须插紧，以避免产生电磁噪音。无论双E形还是EI形，其端口要紧密接触．宜交叉插，不能有空隙。的4～5片可从中间插入，以免损坏线包。然后进行烘干、浸漆。对50W以下的变压器可采取内热法烘干。方法是：将变压器所有次级绕组短路，与60～100W／220V灯泡串联接入市电，使其自动升温。灯泡越大温度越高，但在密闭状态下，使其温度在80度以下较安全。

与高频变压器的区别

　　1、磁性材料的差别:

　　工频变压器采用硅钢片作为磁芯材料的；高频变压器是采用铁氧体磁芯材料。

　　2、工作频率的差别：

　　工频变压器的工作频率一般是指50HZ货60HZ的电源频率；高频变压器的工作频率一般都在1KHZ以上，甚至几十KHZ或者上百KHZ，应用范围不同频率也不一样。

　　3、应用方面：

　　工频变压器一般多用于将220V或者110V工频高压变换成工频低压，供小家电的电路板供电使用（如豆浆机、抽油烟机、音响等等，应用范围比较广泛；高频变压器用途就广泛了（如;手机充电器，电子镇流器，开关电源，彩电电源，电脑电源，液晶驱动及电源等等许多场合都有使用）。

在逆变电源中的应用

　　工频逆变电源输入一般为低压直流，采用全桥逆变电路，通过对场效应管的开关频率作用控制输出交流电压。输出的220V正弦波交流电压的峰一峰值是620V，而一般的逆变电源输入整流电压为310V，为了使逆变器不失真输出220V正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是680～870V。因为一般的逆变输入电压远远小于该值，所以必须加一个输出变压器将逆变器输出电压提升到额定峰值以上才可以使用，如下图1所示。

　　该电路采用全桥变换电路结构，这种变换器输出不是1根火线和1根零线，而是2根火线，但一般在接负载时都要求有零线。如果没有输出隔离变压器将l根火线硬性接零线，就会导致逆变电源不能正常工作。图4为无输出变压器正半波时的电流流动方向。

　　从图2中看出，由于零线的接入，使负载电流经过负载后不经过整流管和逆变功率管，而是直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中虚线框中的整流器和逆变功率管都未起作用。按照正常工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的整流管和逆变功率管。图3为有输出变压器正半波时的电流流动方向。当输出端接入了隔离变压器后就可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线，于是就构成可靠的供电系统。可见，隔离输出变压器对于逆变桥电路来说是一个重要的组成部分，使逆变电路具有可靠稳定的特点。