1、保密等級機密 20年Q/DX青島鼎信通訊股份有限公司技術文檔工頻變壓器設計簡介V1.02015 - 04 - 08 發布2015- 04 - 09 實施青島鼎信通訊股份有限公司TOPSCOMM目 錄1概述11.1變壓器的基本工作原理 11.2變壓器空載工作狀態 11.3變壓器負載工作狀態 32電子變壓器的基本結構和材料 52.1 鐵心及材料52.2 鐵心的加工方法 72.3鐵心材料73電源變壓器的主要技術參數 83.1功率容量83.2功率因數83.3效率93.4 電壓調整率93.5空載電流及其百分比 93.6空載損耗103.7溫升103.8設計電源電壓器所必需的技術參數 114電源變壓器的基本

2、計算公式 114.1 空載工作時 114.2負載工作時134.3匝數計算145電源變壓器鐵心選擇和電磁參量確定方法 155.1 電源變壓器鐵心選擇 155.2 電源變壓器電磁參數的確定 156電源變壓器結構參數計算 166.1 窗口利用系數 166.2散熱面積177實例設計198國網單相表（0527 ）電源設計 248.1 原理圖248.2 電氣參數：248.3變壓器參數計算 249設計計算時應注意其他問題 289.1漏感計算289.2繞組的分布 289.3 屏蔽2810文檔使用范圍 28#TOPSCOMM1 概述1.1 變壓器的基本工作原理變換電能以及把電能從一個電路傳遞到另一個電路的靜止電

3、磁裝置稱為變壓器。在交流電路中，借助變壓器能夠變換交流電壓電流和波形。每次變換通常是能量通過電磁方式傳遞到另一電路，而與該123電路無直接聯系。但也可通過電磁 -電的方式進行變換，這種變壓器稱為自耦變壓器。圖1.1變壓器結構示意圖變壓器，圖1.2變壓器原理電路。圖1.2變壓器原理電路TitleSizeNu mberRev isionA4Date:17-Sep-2010Sheet OFile:C:Program Fi lesDesignExplorer 99 SEExampleDOKWiZ5y22 .DDB34工作原理如下：在初級線圈N1上加電源電壓 U1時，初級線圈N1中將產生電流b 11 （

4、空載電流），這個電流將在鐵心中建立磁場，產生磁通。磁通穿過次級線圈時， 又在次級線圈中產生電勢（電壓U2）,如果次級線圈接有負載 RL,則負載中將產生電流IL。就這樣，交流電功率就從變壓器的初級電路 傳到了次級電路。1.2 變壓器空載工作狀態TitleASize NumberRev isionA4如果初級繞組與交流電壓為U1的電源相連，在該繞組中將產生交9變電流TDDB | 0，該電流稱做空載電流。1234這個電流建立了沿鐵心磁路而閉合的交變磁通0，它同時穿過初級繞組和次級繞組，并在繞組中產生感應電動勢。按電磁感應定律，其有效值為日=4K fN1BmSc*10，（1）E4K ofN2BmSc*

5、10式中E1-初級自感電動勢（V）；E2-次級互感電動勢（V）(2)1TOPSCOMMT0P5C0MMK=1.11 ；對于方波K=1；K-電壓的波形因數，對于正弦波, f -交流電源的頻率（Hz）;Ni -初次繞組匝數；N2-次級繞組匝數Bm磁感應強度振幅值（T）；Sc鐵心的有效截面積（cm2 ）繞組中的感應電動勢正比于該繞組的匝數，式（1）除以式（2）得;5(3)E2N2如果忽略初級繞組和鐵心的損耗，并假定所有磁通量都沿著鐵心的磁路而閉合，則在初級繞組中的磁通量0所產生的自感電動勢 曰，按楞次定律，其數值與所加電壓相等，而其符號相反，即U1 二-巳實際上，變壓器空載電流，除了為在變壓器鐵心中

6、建立磁通。所需的磁化分量I之外，還包括由于鐵心損耗所引起的有用功分量 Ic，因此，空載電流Io =1 Ic此外，變壓器初級繞組具有直流電阻1,因而在初次繞組中產生有功電壓降 U1式中Eal -補償初級繞組電壓降而假定的電動勢。流過初級繞組的電流，不僅建立沿鐵心磁路閉合的主磁通0,而且建立沿空氣閉合的漏磁通Si ,這個漏磁通在初級繞組中感應漏電動勢，即Es! 一 IXs1式中Xs1-初級繞組的漏感抗根據電動勢相平衡的定律，外施電壓Ui應與E1, Ea1和Es1的矢量相平衡，即U1 =-（巳 Ea1 - Es1）二-日Ir1IoXs1空載時，初級繞組的電壓降一般是很小的，所以U1和E1值相差很小，

7、故變壓器空載電壓比仍可近似等于其匝數比。即Ui nU2 N2對于中小功率變壓器來說，由于次（初）級漏感較小，故Xsi或Lsi可忽略不計，此時S- E! I 0”1.3 變壓器負載工作狀態圖1.3變壓器負載工作原理圖在變壓器初級繞組供給電壓 U1,次級繞組與負載相連。這時，次級繞組將有電流丨2流過，在鐵心中產生磁通 2,2的方向應與 0方向相反。2穿過初級繞組后，初級繞組便從電源取得電流丨1,而I 1有產生與2相反的磁通 1。顯然，2=-1,兩個磁通相互抵消，結果，磁路中只剩下一個由空載電 流所建立的磁通0。電流I 1的數值可依據能量守恒定律求得。如果忽略鐵心和繞組的功率損耗，則初級繞組的功率就

8、等于次級繞組的功率，即E1I1 二 E2I2所以比較式（3）和式（4）可得N1N2 I1或者I1I2N2N1因此，建立該磁通的磁上面已經確定，當負載電流的數值不同時，變壓器鐵心中的磁通是不變的。勢也是不變的。由此可得aw0 = awH式中a 空載時的安匝數aw h-負載時的安匝數空載時的安匝數為aw0 = 1的在負載情況下，初、次級繞組安匝數總和為awH F1N1I2N2 故 lNi TNi I2N2式（5）稱為磁勢平衡方程式S2 ,變壓器帶負載工作時，除了沿鐵心磁路而閉合的主磁通外，還有沿空氣閉合的漏磁通si這個磁通在初級和次級繞組中感應出漏電動勢Eq = -1 iXsiES2 = _ 1

9、2 X S2當電源和變壓器初級繞組構成閉合回路時，Ui = -Ei I需 IiXsi在變壓器次級繞組（產生電動勢 旦）和負載構成的閉合回路中，可依據電動勢平衡定律求得E2 =丄 - Er2 - Es2 - U2 * I2D I 2Xs2同樣，對中小功率變壓器，可忽略漏感抗Xsi和XS2，此時U -Ei1也E2 =5 丨22但是，當工作頻率升高時，其漏感的影響將逐漸增大，因此，音頻變壓器、高頻變壓器、脈沖變壓 器必須考慮漏感的影響。在等效電路計算中，往往把次級參數變換（又稱反射或歸算）到初級，設變壓器次級負載電阻為R2 =U2反射到初級的電阻為 r2其值為由式（3）和式（4）經變換后得R2R2U

10、 1 12E1 1 2N12()U2 I1E2 I1N/或 Rs =( Nl )2R2N2若變壓器次級阻抗為Z2，則反射到初級的阻抗Z2 =Z (Nl)2n2改變（N1/N2）值，就可以改變 Z2值，這就是變壓器變換阻抗的原理。2電子變壓器的基本結構和材料2.1 鐵心及材料2.1.1 鐵心的基本結構型式鐵心構成變壓器的磁路，是變壓器結構的基礎。電子變壓器鐵心的基本結構型式為：殼式鐵心、心 式鐵心和環型鐵心。（a）殼式鐵心（b ）心式鐵心圖2.1鐵心分類（c ）環型鐵心2.1.1.1殼式鐵心殼式鐵心如圖所示，殼式鐵心變壓器只有一個線圈，該線圈在鐵心的中心柱上。磁通由中心柱經鐵軛、兩邊柱而閉合。T

11、0P5C0MM4十 I1 1 -+4-m丄4-圖22 外磁場對殼式鐵心變壓器的影響只有一個線圈的殼式鐵心變壓器的線圈散熱面積小，故一般用作小功率變壓器。因鐵軛與兩邊柱的磁屏蔽作用，其磁輻射較小，但外磁場對其影響較大，外磁場穿過鐵心和線圈，并在線圈兩端產生感應 電動勢，從而引起干擾。2.1.1.2 心式鐵心心式鐵心變壓器有兩個線圈，兩個線圈分別套在兩個鐵心柱上。磁通在鐵心柱中閉合。圖2.3外磁場對心式鐵心變壓器的影響有兩個線圈的心式鐵心變壓器的線圈散熱面積大，可用于功率較大的變壓器中。心式鐵心變壓器磁輻射較大，對周圍電子設備的磁影響較大；但外磁場對其影響較小，外磁場同方向穿過兩鐵心柱，在兩線圈中

12、的感應電動勢因方向相反而抵消，故干擾較小。為減少外磁場的干擾， 小信號輸入變壓器經常采用心式鐵心。2.1.1.3 環型鐵心線圈沿鐵心圓周方向均勻繞制，磁通在鐵心內部沿鐵心而閉合。環型鐵心變壓器的鐵心被線圈所包圍，鐵心散熱面積為0,鐵心和線圈因損耗產生的熱量全部通過線圈表面散發出去。環型鐵心用于從工頻到高頻的各種頻率范圍的變壓器中。這種結構充分利用鐵心材料的磁性能，基本上所有的精密軟磁合金都采用環型結構。環型鐵心的漏磁最小， 對外界的磁影響也最小。由于外磁場方向與環型鐵心中工作磁場的方向垂直，線圈不切割外磁場磁力線， 外磁場在線圈中不產生感應電動勢，因此，外磁場對環型變壓器的影響最小。2.4 外

13、磁場對環型鐵心變壓器的影響2.2 鐵心的加工方法2.2.1 沖片鐵心沖片鐵心適用于鋼板（帶）厚度在0.1mm以上的材料。由于沖制工藝簡單、效率高、基本無廢料、成本低，沖片鐵心廣泛用于小功率電源變壓器和音頻變壓器中。特別是EI型殼式沖片鐵心，更是目前大量使用的一種鐵心結構2.2.2 卷繞鐵心卷繞鐵心是用一定寬度或寬度可變的鋼帶在適當形狀的心子（一般為矩形或環型）上連續繞制而成。由于鋼帶的取向方向與磁通方向完全一致，因此，卷繞鐵心能使鐵心材料的性能得到充分發揮。目前， 各種高性能取向硅鋼帶相繼問世，具有優異磁性能的卷繞鐵心獲得廣泛應用。2.3 鐵心材料2.3.1 金屬軟磁性材料2.3.1.1 硅鋼

14、硅鋼是一種含硅量在 5河下的鐵硅合金。一般含硅量為2.3%-3.6%。目前常用的硅鋼材料是冷軋無取向硅鋼帶和冷軋取向硅鋼帶。冷軋無取向硅鋼帶含硅最低，一般在0.5%-2.5%之間。厚度分為0.35mm 0.5mm和0.65mm三種，以0.5mm使用最多。冷軋無取向硅鋼帶在其軋制方向與垂直于軋制方向的磁性能差異不大，即采用沖制與 采用卷繞工藝的鐵心磁性能差異不大。冷軋無取向硅鋼帶磁感應強度較高、磁導率較高、但鐵損大，一般用于小功率工頻電源變壓器和音頻變壓器。冷軋無取向硅鋼帶價格便宜，多數沖制成EI型鐵心片使用。冷軋取向硅鋼帶含硅量較高，一般在2.5%-3%之間。厚度為0.27mm 0.30mm和

15、0.35mm三種，以0.35mm使用最多。冷軋取向硅鋼帶在其軋制方向與垂直于軋制方向的磁性能差別較大，即沖制鐵心與卷繞鐵心的磁性能差別很大。 冷軋取向硅鋼帶的磁感應強度高，鐵損小，是中大功率工頻變壓器的首選材料。它即可采用沖、剪，也可采用卷繞的方法來制造鐵心。提高硅鋼帶的飽和磁感應強度，降低鐵損是當今硅 鋼帶的發展方向。2.3.1.2 精密軟磁合金7TOPSCOMM精密軟磁合金主要包括鐵鎳系軟磁合金、鐵鋁系軟磁合金、鐵硅鋁系軟磁合金和耐蝕系軟磁合金等，是一種傳統的結晶態材料。精密軟磁合金按磁特性可分為高磁導率合金、高矩形比合金和低剩磁（高B）合金三種。2.3.1.3 非晶和超微晶合金非晶態合金

16、是一種沒有結晶組織和晶界的亞穩態軟磁合金材料。通常由處于無序狀態的熔融液體， 經高于某一臨界值的冷卻速度快冷（防止結晶）而制成的一種合金材料，超微晶的晶粒很小，一般在100nm 以下，故稱納米晶。納米晶軟磁合金也是用熔融液體快淬法先獲得非晶態合金，再經過晶華退火處理后得到超微晶合金。非晶和超微晶合金由于制法簡便，成分和結構特殊，物理性能和磁性能優良，是當今新型的、最有發展的一種軟磁性材料。2.3.2 軟磁鐵氧體材料軟磁鐵氧材料屬于金屬氧化物材料，它是由鐵和其他金屬元素組成的復合氧化物。采用陶瓷工藝， 經高溫燒結而制成各種形狀的磁心。軟磁鐵氧體材料的主要特點是初始磁導率高，矯頑力低，磁滯回線呈細

17、長形狀。軟磁鐵氧體材料分為Mn-Zn系鐵氧體材料、Ni-Zn系鐵氧體材料和Mg-Zn鐵氧體材料。2.3.3 磁性粉末材料將磁性粉末采用粉末冶金的工藝而制成的磁心稱為粉末磁心或金屬磁粉心。由于磁性粉末的顆粒很小，加上磁心粉末本身是一種磁性能優異的軟磁材料，因此，粉末磁心具有很好的磁特性。粉末磁心的電阻率高，高頻渦流損耗小，磁導率低，在較強的磁場下和很寬的頻率范圍內有良好的恒定性；磁導率溫度特性良好，居里溫度高，磁導率溫度系數小。由于以上特點，粉末磁心作為一種區別于其他磁心的特殊磁心得到了廣泛的應用。粉末磁心主要用于開關電源中的儲能電感、直流濾波電感、高皆振電感、EMI/RFI濾波電感、調光電感、

18、功率因數校準電感、寬帶變壓器、逆變與變換器電感等場合。3電源變壓器的主要技術參數3.1 功率容量變壓器的功率容量包括輸入功率Pi和輸出功率巳。在電源變壓器設計中，功率是確定鐵心尺寸的主要依據。在純阻負載下，變壓器的輸出功率是次級傳遞給負載的功率。它等于次級負載電壓“和負載電流I 2的乘積，即P2 二 U變壓器的輸入功率P為P =昱n -變壓器效率n當電壓器為非純阻負載時，次級負載電壓U2與負載電流I2的乘積稱之為輸出伏安 VA2，而初級負載電壓與負載電流|1的乘積則稱為輸入伏安 VA。cos e -變壓器的功率因數VA-初級伏安值（VA）I-鐵心磁化電流（A）I i-變壓器初級電流（A）變壓器

19、功率因數與磁化電流有關，磁化電流在初級電流中所占的比例越大，功率因數越低。3.3 效率變壓器輸出功率巨與輸入功率Pi之比稱為效率，即P2F2 Pm FCPm-線圈銅損（W）Pc-鐵心損耗（W3.4 電壓調整率變壓器從空載到滿載時，由于初、次級銅阻ri、門產生的電壓降 U、 U，使得其負載電壓低于空載電壓，其下降程度一般用電壓調整率 U來表示。電壓調整率按下式計算 U 山匕*100%U2oU20 空載輸出電壓（VU2-負載輸出電壓（V） U-電壓調整率（）變壓器在負載時，隨著負載時間的增加，其溫升逐漸增加，銅阻隨之增大，負載電壓進一步下降， 直至變壓器溫升趨于穩定為止。因此，嚴格說來電壓調整率應

20、按變壓器負載后溫升達到穩定時的負載電壓來計算。3.5 空載電流及其百分比變壓器空載電流|0等于磁化電流I0與鐵損電流IC0的矢量和。由于磁化電流與鐵損電流相位差90 ,故I。I廠IcoI 0-空載電流（A）I CD-鐵損電流（A）也可用空載電流的百分數來表示空載電流的大小，即I。1。（） = 0*100%11式中|i-變壓器初級負載電流（A）。由于鐵心損耗電流很小，所以，變壓器的空載電流主要是磁化電流。空載電流與變壓器鐵心的性能密切相關，允許的空載電流值大，鐵心的磁感應強度的取值可提高， 這可縮小變壓器的體積；或采用磁性能一般的鐵心材料，以降低變壓器成本。但是空載電流增大，變壓器功率因數下降，

21、將影響電網或電源的性能。空載電流允許的電流值小，鐵心的磁感應強度取值要降低，或必須采用磁性能優良的鐵心材料，變壓器體積或成本要增加，但變壓器功率因數提高了。必須權衡這兩方面的因素，以使空載電流在一個合適的數值范圍內。對于大多數中小功率電源變壓器來說，由于功率較小，較低的功率因數對電網或電源的影響很小。 所以，變壓器成本和體積是首選考慮的因素，可允許有較大的空載電流值。3.6 空載損耗變壓器空載損耗P0等于空載時的鐵心損耗 Pco與空載電流I0在初級銅阻ri上的損耗之和。即2R = PC0 1 0 r式中P 0- 空載損耗（W）PC0-空載時的鐵損（W）I 0空載電流（A）r1初級銅阻（Q ）變

22、壓器的空載損耗取決于鐵心的性能；同時它又與空載磁感應強度的大小有關。因此，空載損耗是確定鐵心性能的一個重要的指標。3.7 溫升變壓器投入運行時， 線圈工作溫度高出周圍環境溫度的部分稱為線圈溫升 T m；鐵心工作溫度高出周圍環境溫度的部分稱為鐵心溫升At co溫升有最熱點溫升與平均溫升兩種。一般以線圈的平均溫升作為變壓器的溫升指標。溫升是影響變壓器壽命的重要因素。變壓器允許溫升由其絕緣耐熱等級確定。因此，線圈的允許溫升 A T n為A T n=線圈絕緣耐熱等級所允許的最咼工作溫度-最咼環境溫度-（510K）其中，510K為考慮到最熱點溫升與平均溫升之差值及各種因素引起的誤差所留的設計余量。功率

23、大的變壓器，線圈尺寸大，則留的余量大，反之則相反。11TOPSCOMM153.8 設計電源電壓器所必需的技術參數1. 額定電源頻率；2. 相數，單相或三相；3. 負載電壓和負載電流；4. 負載或整流電路的性質；5. 電壓調整率；6. 線圈平均溫升；7. 繞組連接組別；8. 變壓器效率；9. 功率因數；10. 空載電流或其百分比；11. 空載損耗；12. 環境條件（環境溫度及其他）；13. 安全性要求（試驗電壓標準）；4電源變壓器的基本計算公式根據變壓器的工作原理，對中小功率電源變壓器可得以下基本計算公式。4.1 空載工作時4.1.1 次級空載電壓 U20由于初、次級繞組空載電壓比近似等于其匝數

24、比，所以，次級空載電壓凹為U 20N2N14.1.2初級空載電流I 0Io = I（T Ico其中磁化電流Io由所確定的空載磁感應強度Bo查鐵心磁化曲線，得在該場強度H直或磁化伏安7A o值后按下式計算I = Hc 或 I= VAoN1U1式中|o磁化電流（A）；H-磁場平均強度（A/cm）鐵心平均磁路長度（cm）B0下的磁lcVA o-磁化伏安圖4.1鐵心磁化曲線JI3J5O1510*30Ql U -0,200 20*0.230為*0.軸a軸*oi詰圖7.1 Km取值表(4) 鐵心負載磁感應強度 B=1.45TTOPSCOMM小功率電變壓的Ae&強廈302520151Q負戦戟撼應愛度B /T

25、L4-L45L43-L5L3-LS5L5-1.6圖7.2變壓器負載磁感應強度表(5) 結構系數AzA, =17.3 X10-3R(1 0.5A U)2B2Km AUdm221電壓調整率A U為30%寸Az0.0417RKmB2電壓調整率A U為25%寸八0.0529RAz廠1KmB2電壓調整率A U為20%寸0.07RKmB2因此Az =0.0529 X5.870.20 X1.452-0.738(cm5)Ifc右承利魅右主聲尺寸A9-*G*hLB甘/en*0ZnnT心6i/iJ/oa*1CkDwimim * i s1329BL2L.fii細I0L2LXTO0L531EM1Z13 x lW垃B.

26、BISLZD3lXJa74S041/13x211121a21411733L IJ1.68工刃1531514.35LUI_ _ _圖7.3查表的鐵心 EI41/13 X 16符合要求，查到 lc=8.15cm:Sc=1.98cm 2 :Gc=0.140kg.(7) 匝數計算計算TVTV 二4.44 X50 X1.45 X1.98= 15.69 (匝/V)巳=220(1-0.5X0.25 二 192(V)初級匝數 N, =192.5 X15.69= 3020(匝)次級匝數 N2 =8 X(1 0.5 X0.25) X15.69 = 141(匝)(8) 確定導線直徑所選骨架的初級繞線寬度 h仁7.7

27、mm,可繞線部分的厚度為 5mm可繞線面積Sw仁7.7 X 5=38.5mm2 ;次級繞線寬度h2=7.7mm,可繞線部分的厚度為, 25mm,可繞線面積 Sw2=7.7 X 5=38.5mm。初級帶絕緣導線直徑 dmi(mm)dm1 Sw1KpKdN1v次級帶絕緣導線直徑 dm2(mm)dm2 =Sw2KpKdN2Swi-初級繞組可繞線面積(mm)Sw2-次級繞組可繞線面積(mnf )Kp排線系數Kd疊線系數0.(LQ圖7.4dm138.51.1X1.1X3020=0.103(mm)38.5 1.05 X1.05X141= 0.498(mm)TOPSCOMM查線規表，確定初、次級導線規格如下

28、di=0.08mm,dm=0.101mm,銅阻 3401 Q /km,銅重 0.05kg/km:d2=0.425mm,dm2=0.488mm,銅阻 120.5 Q /km，銅重 1.34kg/km 。(9) 繞組結構計算各繞組銅重 Gm=0.014(kg), G m2=0.017(kg);各繞組 20C時銅阻 r 1B=904( Q ),r 2B=1.49( Q)取變壓器線圈平均工作溫度50 C,此時，Kt=3.93 X 10-3 X( 234.5+50 ) =1.12，熱態銅阻r1=1.12X 904=1012 ( Q ), r2=1.12 X 1.49=1.67( Q )。(10) 初級電流計算鐵心磁化曲線查到 B=1.45T時，Hm=10A/cm,Ps=5.7W/kg。磁化電流 I o= (10X 8.15 ) /3020=0.027(A);鐵損電流 IC=(5.7 X 0.14)/220=0.0036(A);初級電流有功分量 I 1=0.0036+ (141 X 0.55/3020 ) =0.0293(A);初級平均電流h 0.02932 0.0272 = 0.040(A)(11) 空載電流I 01 45空載磁感應強度 B0二 5=1.66T1-0.25/2查磁化曲線 H0=1