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1、保密等级机密20年Q/DX青岛鼎信通讯股份有限公司技术文档工频变压器设计简介V1.02015 - 04 - 08发布2015 - 04 - 09 实施青岛鼎信通讯股份有限公司发布目录1 概述11.1 变压器的基本工作原理11.2 变压器空载工作状态11.3 变压器负载工作状态32 电子变压器的基本结构和材料52.1 铁心及材料52.2 铁心的加工方法72.3 铁心材料73 电源变压器的主要技术参数83.1 功率容量83.2 功率因数83.3 效率93.4 电压调整率93.5 空载电流及其百分比93.6 空载损耗103.7 温升103.8 设计电源电压器所必需的技术参数114 电源变压器的基本计
2、算公式114.1 空载工作时114.2 负载工作时134.3 匝数计算145 电源变压器铁心选择和电磁参量确定方法155.1 电源变压器铁心选择155.2 电源变压器电磁参数的确定156 电源变压器结构参数计算166.1 窗口利用系数166.2 散热面积177 实例设计198 国网单相表（0527）电源设计248.1 原理图248.2 电气参数：248.3 变压器参数计算249 设计计算时应注意其他问题289.1 漏感计算289.2 绕组的分布289.3 屏蔽2810 文档使用范围281 概述1.1 变压器的基本工作原理 变换电能以及把电能从一个电路传递到另一个电路的静止电磁装置称为变压器。在
3、交流电路中，借助变压器能够变换交流电压电流和波形。每次变换通常是能量通过电磁方式传递到另一电路，而与该电路无直接联系。但也可通过电磁-电的方式进行变换，这种变压器称为自耦变压器。图1.1 变压器结构示意图变压器，图 1.2变压器原理电路。图1.1 变压器结构示意图图 1.2变压器原理电路工作原理如下：在初级线圈N1上加电源电压U1时, 初级线圈N1中将产生电流I1（空载电流），这个电流将在铁心中建立磁场，产生磁通。磁通穿过次级线圈时，又在次级线圈中产生电势（电压U2），如果次级线圈接有负载RL，则负载中将产生电流IL。就这样，交流电功率就从变压器的初级电路传到了次级电路。1.2 变压器空载工作
4、状态如果初级绕组与交流电压为U1的电源相连，在该绕组中将产生交变电流I0，该电流称做空载电流。这个电流建立了沿铁心磁路而闭合的交变磁通0，它同时穿过初级绕组和次级绕组，并在绕组中产生感应电动势。按电磁感应定律，其有效值为 （1） （2）式中 -初级自感电动势（V）； -次级互感电动势（V） -电压的波形因数，对于正弦波，=1.11；对于方波=1； -交流电源的频率（Hz）； -初次绕组匝数； -次级绕组匝数 -磁感应强度振幅值（T）； -铁心的有效截面积（）绕组中的感应电动势正比于该绕组的匝数，式（1）除以式（2）得； （3）如果忽略初级绕组和铁心的损耗，并假定所有磁通量都沿着铁心的磁路而闭合
5、，则在初级绕组中的磁通量0所产生的自感电动势E1，按楞次定律，其数值与所加电压相等，而其符号相反，即 实际上，变压器空载电流，除了为在变压器铁心中建立磁通0所需的磁化分量I之外，还包括由于铁心损耗所引起的有用功分量Ic，因此，空载电流 此外，变压器初级绕组具有直流电阻r1,因而在初次绕组中产生有功电压降u1 式中 Eal-补偿初级绕组电压降而假定的电动势。 流过初级绕组的电流，不仅建立沿铁心磁路闭合的主磁通0，而且建立沿空气闭合的漏磁通sl，这个漏磁通在初级绕组中感应漏电动势，即 式中Xs1-初级绕组的漏感抗根据电动势相平衡的定律，外施电压U1应与E1，Ea1和Es1的矢量相平衡，即空载时，初
6、级绕组的电压降一般是很小的，所以U1和E1值相差很小，故变压器空载电压比仍可近似等于其匝数比。即 对于中小功率变压器来说，由于次（初）级漏感较小，故Xs1或Ls1可忽略不计，此时1.3 变压器负载工作状态图 1.3变压器负载工作原理图在变压器初级绕组供给电压U1，次级绕组与负载相连。这时，次级绕组将有电流I2流过，在铁心中产生磁通2，2的方向应与0方向相反。2穿过初级绕组后，初级绕组便从电源取得电流I1，而I1有产生与2相反的磁通1。显然，2=-1，两个磁通相互抵消，结果，磁路中只剩下一个由空载电流所建立的磁通0。电流I1的数值可依据能量守恒定律求得。如果忽略铁心和绕组的功率损耗，则初级绕组的
7、功率就等于次级绕组的功率，即 所以 (4)比较式（3）和式（4）可得 或者 上面已经确定，当负载电流的数值不同时，变压器铁心中的磁通是不变的。因此，建立该磁通的磁势也是不变的。由此可得 式中aw0-空载时的安匝数 awH-负载时的安匝数空载时的安匝数为在负载情况下，初、次级绕组安匝数总和为 故 (5)式（5）称为磁势平衡方程式变压器带负载工作时，除了沿铁心磁路而闭合的主磁通外，还有沿空气闭合的漏磁通s1、s2，这个磁通在初级和次级绕组中感应出漏电动势当电源和变压器初级绕组构成闭合回路时，在变压器次级绕组（产生电动势E2）和负载构成的闭合回路中，可依据电动势平衡定律求得同样，对中小功率变压器，可
8、忽略漏感抗Xs1和Xs2，此时 但是，当工作频率升高时，其漏感的影响将逐渐增大，因此，音频变压器、高频变压器、脉冲变压器必须考虑漏感的影响。在等效电路计算中，往往把次级参数变换（又称反射或归算）到初级，设变压器次级负载电阻为R2反射到初级的电阻为其值为由式（3）和式（4）经变换后得 或若变压器次级阻抗为Z2，则反射到初级的阻抗为改变（N1/N2）值，就可以改变值，这就是变压器变换阻抗的原理。2 电子变压器的基本结构和材料2.1 铁心及材料2.1.1 铁心的基本结构型式 铁心构成变压器的磁路，是变压器结构的基础。电子变压器铁心的基本结构型式为：壳式铁心、心式铁心和环型铁心。（a）壳式铁心 （b）
9、心式铁心 （c）环型铁心图 2.1 铁心分类2.1.1.1 壳式铁心壳式铁心如图所示，壳式铁心变压器只有一个线圈，该线圈在铁心的中心柱上。磁通由中心柱经铁轭、两边柱而闭合。 图 2.2 外磁场对壳式铁心变压器的影响只有一个线圈的壳式铁心变压器的线圈散热面积小，故一般用作小功率变压器。因铁轭与两边柱的磁屏蔽作用，其磁辐射较小，但外磁场对其影响较大，外磁场穿过铁心和线圈，并在线圈两端产生感应电动势，从而引起干扰。2.1.1.2 心式铁心心式铁心变压器有两个线圈，两个线圈分别套在两个铁心柱上。磁通在铁心柱中闭合。 图 2.3 外磁场对心式铁心变压器的影响有两个线圈的心式铁心变压器的线圈散热面积大，可
10、用于功率较大的变压器中。心式铁心变压器磁辐射较大，对周围电子设备的磁影响较大；但外磁场对其影响较小，外磁场同方向穿过两铁心柱，在两线圈中的感应电动势因方向相反而抵消，故干扰较小。为减少外磁场的干扰，小信号输入变压器经常采用心式铁心。2.1.1.3 环型铁心线圈沿铁心圆周方向均匀绕制，磁通在铁心内部沿铁心而闭合。环型铁心变压器的铁心被线圈所包围，铁心散热面积为0，铁心和线圈因损耗产生的热量全部通过线圈表面散发出去。环型铁心用于从工频到高频的各种频率范围的变压器中。这种结构充分利用铁心材料的磁性能，基本上所有的精密软磁合金都采用环型结构。环型铁心的漏磁最小，对外界的磁影响也最小。由于外磁场方向与环
11、型铁心中工作磁场的方向垂直，线圈不切割外磁场磁力线，外磁场在线圈中不产生感应电动势，因此，外磁场对环型变压器的影响最小。 2.4外磁场对环型铁心变压器的影响2.2 铁心的加工方法2.2.1 冲片铁心冲片铁心适用于钢板（带）厚度在0.1mm以上的材料。由于冲制工艺简单、效率高、基本无废料、成本低，冲片铁心广泛用于小功率电源变压器和音频变压器中。特别是EI型壳式冲片铁心，更是目前大量使用的一种铁心结构2.2.2 卷绕铁心卷绕铁心是用一定宽度或宽度可变的钢带在适当形状的心子（一般为矩形或环型）上连续绕制而成。由于钢带的取向方向与磁通方向完全一致，因此，卷绕铁心能使铁心材料的性能得到充分发挥。目前，各
12、种高性能取向硅钢带相继问世，具有优异磁性能的卷绕铁心获得广泛应用。2.3 铁心材料2.3.1 金属软磁性材料2.3.1.1 硅钢硅钢是一种含硅量在5%以下的铁硅合金。一般含硅量为2.3%-3.6%。目前常用的硅钢材料是冷轧无取向硅钢带和冷轧取向硅钢带。冷轧无取向硅钢带含硅最低，一般在0.5%-2.5%之间。厚度分为0.35mm、0.5mm和0.65mm三种，以0.5mm使用最多。冷轧无取向硅钢带在其轧制方向与垂直于轧制方向的磁性能差异不大，即采用冲制与采用卷绕工艺的铁心磁性能差异不大。冷轧无取向硅钢带磁感应强度较高、磁导率较高、但铁损大，一般用于小功率工频电源变压器和音频变压器。冷轧无取向硅钢
13、带价格便宜，多数冲制成EI型铁心片使用。冷轧取向硅钢带含硅量较高，一般在2.5%-3%之间。厚度为0.27mm、0.30mm和0.35mm三种，以0.35mm使用最多。冷轧取向硅钢带在其轧制方向与垂直于轧制方向的磁性能差别较大，即冲制铁心与卷绕铁心的磁性能差别很大。冷轧取向硅钢带的磁感应强度高，铁损小，是中大功率工频变压器的首选材料。它即可采用冲、剪，也可采用卷绕的方法来制造铁心。提高硅钢带的饱和磁感应强度，降低铁损是当今硅钢带的发展方向。2.3.1.2 精密软磁合金精密软磁合金主要包括铁镍系软磁合金、铁铝系软磁合金、铁硅铝系软磁合金和耐蚀系软磁合金等，是一种传统的结晶态材料。精密软磁合金按磁
14、特性可分为高磁导率合金、高矩形比合金和低剩磁（高B）合金三种。2.3.1.3 非晶和超微晶合金非晶态合金是一种没有结晶组织和晶界的亚稳态软磁合金材料。通常由处于无序状态的熔融液体，经高于某一临界值的冷却速度快冷（防止结晶）而制成的一种合金材料，超微晶的晶粒很小，一般在100nm以下，故称纳米晶。纳米晶软磁合金也是用熔融液体快淬法先获得非晶态合金，再经过晶华退火处理后得到超微晶合金。非晶和超微晶合金由于制法简便，成分和结构特殊，物理性能和磁性能优良，是当今新型的、最有发展的一种软磁性材料。2.3.2 软磁铁氧体材料软磁铁氧材料属于金属氧化物材料，它是由铁和其他金属元素组成的复合氧化物。采用陶瓷工艺，经高温烧结而制成各种形状的磁心。软磁铁氧体材料的主要特点是初始磁导率高，矫顽力低，磁滞回线呈细长形状。软磁铁氧体材料分为Mn-Zn系铁
