工频变压器设计的计算.docx
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工频变压器设计的计算
工频变压器设计的计算
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绕制工频变压器铁心匝数计算法
变压器功率铁芯的选用按公式预计算：
S＝×根号P，
（S是套着线圈部位铁芯的截面积，怎么算下面再讲，单位：
CM，P为功率：
W）
1.计算每伏需要绕多少匝（圈数）可按公式
N：
线圈匝数
B--硅钢片的磁通密度（T），一般高硅钢片可达，中等的约，低等的约，最差的约。
S:
铁心面积S=/平方cm
f:
频率50Hz（我国）
B--为磁通密度（T）
小知识：
B值根据铁芯材料不同,A2和A3黑铁皮选;D11和D12（低硅片）选到;D21和D22（中硅片）选到;D41和D42（高硅片）选到;D310和D320（冷轧片）选到;磁感应强度有一个过时的单位：
高斯，其符号为G：
1T=10000G。
穿过一块面积的磁力线数目，称做磁
磁通量，简称磁通，用Φ示。
磁通量的单位是韦伯，用Wb表示，以前还有麦克斯韦用Mx表示。
如果磁场中某处的磁感应强度为Ｂ，在该处有一块与磁通垂直的面，它的面积为Ｓ，则穿过它的磁通量就是
Φ=BS
公式：
Φ=BS，适用条件是B与S平面垂直。
当B与S存在夹角θ时，Φ=B*S*cosθ。
Φ读“fai”四声。
单位：
在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，符号是Wb，1Wb=1T*m^2;=1V*S，是标量，但有正负，正负仅代表穿向，磁感应强度Ｂ的单位是高斯（Ｇs），1T=10000G；面积Ｓ的单位是平方厘米；磁通量的单位是麦克斯韦（Mx）。
当B与S存在夹角θ时，Φ=B*S*cosθ。
Φ读“fai”四声。
在国际单位制中，磁通量的单位是韦伯，符号是Wb，1Wb=1T*m2;=1V*S，是标量，但有正负，正负仅代表穿向。
S--为铁芯有效面积（单位为平方厘米）
S=
a为铁芯中心柱的长
b为厚度，（看你叠多少了）
是叠片系数（看你叠的紧密不紧密了），
2.总匝数
知道变压器线圈每伏匝数后,既可求出各绕组总匝数了
即：
W=UW0
式中:
W为某绕组总匝数（匝）
U为该绕组电压
注意！
补偿带负载后绕组阻抗引起的次级电压降落,次级匝数应5%到20%（容量小的变压器取
计算出初级线圈
以10匝1V计算
N1=220╳10=2200匝
2次级线圈N2=8╳10╳=84
次级线圈匝数计算中的是考虑有负荷时的压降
3.求导线直径
4.如：
要求输出8伏的电流是多少安这里我假定为2安。
5.变压器的输出容量=8╳2=16伏安
6.变压器的输入容量=变压器的输出容量/=20伏安
7.初级线圈电流I1=20/220=安
8.导线直径d=√I
9.初级线圈导线直径d1=√I1=√=毫米
10.次级线圈导线直径d2=√I2=√2=毫米
11.经桥式整流电容滤波后后得到的直流电压也就是AC转换成了DC，不会算的朋友注意了，在单项中电压是原变压器次级电压的倍。
这就是我们的220V市电经过整流滤波后得到了311V的原因，
12.
13.
环形变压器的设计计算
通过设计一台50Hz的电源变压器，其初级电压U1=220V，次级电压U2=，次级电流I2=，电压调整率ΔU≤7％，来说明计算的方法和步骤。
1）计算变压器次级功率P2
P2=I2U2=×=197VA（5）
2）计算变压器输入功率P1（设变压器效率η=）与输入电流I1
式中：
K——系数与变压器功率有关，K=～，取K=；
根据现有铁心规格选用铁芯尺寸为：
高H=40mm，内径Dno=55mm，外径Dwo=110mm。
式中：
f——电源频率（Hz），f=50Hz；
B——磁通密度（T）,B=。
N2=N20·U2=×=匝，取N2=38匝。
6）选择导线线径
绕组导线线径d按式（10）计算
式中：
I——通过导线的电流（A）；
j——电流密度，j=～3A/mm2。
当取j=mm2时代入式（10）得
用两条d=（考虑绝缘漆最大外径为2。
21mm）导线并绕。
因为Φ导线的截面积Sd2=，而d=导线的截面积为两条并联后可得截面积为：
2×=，完全符合要求且裕度较大。
6环形变压器的结构计算
环形变压器的绕组是用绕线机的绕线环在铁心内作旋转运动而绕制的，因此铁心内径的尺寸对加工过程十分重要，结构计算的目的就是检验绕完全部绕组后，内径尚余多少空间。
若经计算内径空间过小不符合绕制要求时，可以修改铁心尺寸，只要维持截面积不变，电性能也基本不变。
已知铁心内径Dno=55mm，图7中各绝缘层厚度为to=，t1=t2=1mm。
1）计算绕完初级绕组及包绝缘后的内径Dn2
计算初级绕组每层绕的匝数n1
式中：
Dn1——铁心包绝缘后的内径，Dn1=Dno－2t0=55－（2×=52mm；
kp——叠绕系数，kp=。
则初级绕组的层数Q1为
初级绕组厚度δ1为
2）计算次级绕组的厚度δ2
计算次级绕组每层绕的匝数n2，考虑到次级绕组是用2×d2=2×导线并绕，则
可见绕完绕组后，内径还有裕量，所选铁芯尺寸是合适的。
7环形变压器样品的性能测试
为检验设计方法的准确性，对按设计参数制成的环形变压器样品进行了性能测试，结果如下。
7．1空载特性测试
测量电路如图8所示。
测得的数据列于表4，按照表4的数据，绘出图9所示的空载特性曲线。
从变压器的空载特性看出设计符合要求，在额定工作电压220V时（工作点为A），变压器的空载电流只有，即使电源电压上升到240V变压器工作在B点铁心还未饱和，有较大的裕度。
7．2电压调整率测量
变压器在空载时测得的次级空载电压U20=，当通以额定电流I2=时，次级输出电压为U2=，按式
（2）计算电压调整率为
变压器电压调整率达到ΔU<7％的指标。
7．3温升试验
用电阻法对变压器绕组进行温升试验，在通电4h变压器温升稳定后进行测试，并按式（12）计算绕组平均温升Δτm。
测量的数据及计算结果列于表5
从温升试验结果看出所设计的变压器已达到标准型温升标准，即Δτm<40℃，初次级绕组温升基本相等，即两绕组功耗较均衡。
7．4绝缘性能试验
1）绝缘电阻
用500V摇表测试绝缘电阻，初次级绕组之间的绝缘电阻在常态下均大于100MΩ。
2）抗电强度
变压器初级与次级绕组之间能承受50Hz，4000V（有效值）电压1min，而无击穿和飞弧。
限定漏电流为1mA，此项试验证明变压器的抗电强度达到IEC标准。
小型变压器的设计原则与技巧
小型变压器是指2kva以下的电源变压器及音频变压器。
下面谈谈小型变压器设计原则与技巧。
1.变压器截面积的确定，铁芯截面积a是根据变压器总功率p确定的。
设计时，若按负载基本恒定不变，铁芯截面积相应可取通常计算的理论值即a=。
如果负载变化较大，例如一些设备、某些音频、功放电源等，此时变压器的截面积应适当大于普通理论计算值，这样才能保证有足够的功率输出能力。
2.每伏匝数的确定变压器的匝数主要是根据铁芯截面积和硅钢片的质量而定的。
实验证明每伏匝数的取值应比书本给出的计数公式取值降低10％～15％。
例如一只35w电源变压器，通常计算（中夕片取8500高斯）每伏应绕匝，而实际只需每伏6匝就可以了，这样绕制后的变压器空载电流在25ma左右。
通常适当减少匝数后，绕制出来的变压器不但可以降低内阻，而且避免因普通规格的硅钢片经常发生绕不下的麻烦，还节省了成本，从而提高了性价比。
3.漆包线的线径确定线径应根据负载电流确定，由于漆包线在不同环境下电流差距较大，因此确定线径的幅度也较大。
一般散热条件不太理想、环境温度比较高时，其漆包线的电流密度应取2a/mm2（线径）。
如果变压器连续工作负载电流基本不变，但本身散热条件较好，再加上环境温度又不高，这样的漆包线取电流密度25a/mm2（线径），若变压器工作电流只有最大工作电流的1/2，这样的漆包线取电流密度3～mm2（线径）。
音频变压器的漆包线电流密度可取35～4a/mm2（线径）。
这样因时制宜取材既可保证质量又可大大降低成本。
综上所述要想设计出性价比较高的变压器，铁芯的截面积只能大不能小；适当减少每伏的匝数；详细分析负载情况；合理选用漆包线的规格。
只有通过反复实践细心推敲，才能真正掌握变压器的设计原则与技巧。
对于感性负荷，无功功率等于视在功率的平方与有功功率的平方差的平方根，即：
Q=；功率因数等于有功功率与视在功率之比，即：
Cos=P／S。
如一台300VA的调压器，带动一台80W的彩电，经计算，消耗网上的无功功率为289．14var；功率因数为0．27。
再如一台500VA的调压器，带动一台200W冰箱，经计算，消耗网上的无功功率为458．26var；功率因数为0．4。
由此说明，对于感性负载，在有功功率一定时，视在功率越大，容量越大，消耗网上的无功功率越大，功率因数越低，设备利用率越低，很不经济。
如何确定变压器线圈导线的电流密度
1kva以下变压器电流密度的取值:
连续使用的变压器可取到mm2;间歇或短时工作的变压器可取5到6安培每平方厘米。
10kva以下空气自冷式单相变压器电流密度的取值:
对于内绕组取3到4a/mm2;外绕组散热条件较好,可取4到安培每平方厘米.选取变压器电流密度取值时,通风条件好及容量大者取大值.当使用铝线绕制时,其电流密度可安铜线的60%计算。
如何减小变压器的空载电流
变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。
空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。
空载电流的作用是建立工作磁场，又称励磁电流。
当变压器二次侧开路，在一次侧加电压u1e时，一次侧要产生电流io——空载电流。
io=u1e/（z1+zm）
z1——变压器一次阻抗
zm——变压器激磁阻抗
为了减少空载电流，主要就是从变压器的铁芯入手。
1、提高铁芯（如硅钢片）质量。
2、改进铁芯结构。
其他知识
交流三相变压器线圈的接法
三相电压的变换可以用三只单相变压器或如图所示的三相变压器来完成.三相变压器原理和单相变压器原理相同。
在三相变压器中,每一芯柱均绕有原绕组和副绕组,相当于一只单相变压器.三相变压器高压绕组的始端常用a,b,c,末端用x,y,z来表示.低压绕组则用a,b,c和x,y,z来表示。
高低压绕组分别可以接成星形或三角行.在低压绕组输出为低电压,大电流的三相变压器中（例如电镀变压器）,为了减少低压绕组的导线面积,低压绕组亦有采用六相星行或六相反星行接法。
我国生产的电力配电变压器均采用y/y0-12或y/三角形-11这两种标准结线方法.数子12和11表示原绕组和副绕组线电压的相位差,也就是所谓变压器的结线组别.在单相变压器运行是,结线问题往往不为人们所重视,然而,在变压器的并联运行中,结线问题却具有重要意义。
变压器基本知识_变压器分类（压器的种类）
常用变压器的分类可归纳如下：
（1）按相数分：
单相变压器：
用于单相负荷。
三相变压器：
用于三相系统的升、降电压。
（2）按冷却方式分：
干式变压器：
依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。
油浸式变压器：
依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
（3）按绕组形式分：
双绕组变压器：
用于连接电力系统中的两个电压等级。
三绕组变压器：
一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。
自耦变电器：
用于连接不同电压的电力系统，也可做为普通的升压或降后变压器用。
（4）按铁芯形式分：
芯式变压器：
用于高压的电力变压器。
壳式变压器：
用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视、收音机等的电源变压器。
（5）按用途分类：
电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器等。
什么是音频变压器
音频变压器是一个感性元件它对不同的频率就呈现不同的阻抗（zl=2πfl），在音频的低端漏感作用是非常少的可忽略不计，此时放大管的负载是l和r0的并联值，l的值越大感抗也越大，对r0的分流作用就越少，r0上的音频功率就越大。
在音频的高端区电感可视为开路，而漏感作用将随频率升高越来越显著，此时放大管的负载相当于漏感+r0（串联），另外分布电容对信号也起到了旁路的作用，显然由于漏感的存在和分布电容的存在，r0所获得的功率随着频率的升高而减少，为此音频变压器在音频的高频区往往失真大，功率增益低，频响变差。
电源变压器的检测测量方法
变压器的检测主要包括以下内容：
1、通过观察变压器的外貌来检查其是否有明显异常现象：
如线圈引线是否断裂，脱焊，绝缘材料是否有烧焦痕迹，铁心紧固螺杆是否有松动，硅钢片有无锈蚀，绕组线圈是否有外露等。
2、绝缘性测试：
用万用表r×10k挡分别测量铁心与初级，初级与各次级、铁心与各次级、次级各绕组间的电阻值，万用表指针均应指在无穷大位置不动。
否则，说明变压器绝缘性能不良。
3、线圈通断的检测：
将万用表置于r×1挡，测试中，若某个绕组的电阻值为无穷大，则说明此绕组有断路性故障。
4、判别初、次级线圈：
电源变压器初级引脚和次级引脚一般都是分别从两侧引出的，并且初级绕组多标有220v字样，次级绕组则标出额定电压值，如15v、24v、35v等。
再根据这些标记进行识别。
5、空载电流的检测：
直接测量法：
将次级所有绕组全部开路，把万用表置于交流电流挡（500ma，串入初级绕组。
当初级绕组的插头插入220v交流市电时，万用表所指示的便是空载电流值。
此值不应大于变压器满载电流的10％～20％。
一般常见电子设备电源变压器的正常空载电流应在100ma左右。
如果超出太多，则说明变压器有短路性故障。
间接测量法：
在变压器的初级绕组中串联一个10/5w的电阻，次级仍全部空载。
把万用表拨至交流电压挡。
加电后，用两表笔测出电阻r两端的电压降u，然后用欧姆定律算出空载电流i空，即i空=u/r。
6、空载电压的检测：
将电源变压器的初级接220v市电，用万用表交流电压接依次测出各绕组的空载电压值（u21、u22、u23、u24）应符合要求值，允许误差范围一般为：
高压绕组≤±10％，低压绕组≤±5％，带中心抽头的两组对称绕组的电压差应≤±2％。
7、一般小功率电源变压器允许温升为40℃～50℃，如果所用绝缘材料质量较好，允许温升还可提高。
8、检测判别各绕组的同名端：
在使用电源变压器时，有时为了得到所需的次级电压，可将两个或多个次级绕组串联起来使用。
采用串联法使用电源变压器时，参加串联的各绕组的同名端必须正确连接，不能搞错。
否则，变压器不能正常工作。
9、电源变压器短路性故障的综合检测判别：
电源变压器发生短路性故障后的主要症状是发热严重和次级绕组输出电压失常。
通常，线圈内部匝间短路点越多，短路电流就越大，而变压器发热就越严重。
检测判断电源变压器是否有短路性故障的简单方法是测量空载电流（测试方法前面已经介绍）。
存在短路故障的变压器，其空载电流值将远大于满载电流的10％。
当短路严重时，变压器在空载加电后几十秒钟之内便会迅速发热，用手触摸铁心会有烫手的感觉。
此时不用测量空载电流便可断定变压器有短路点存在。
常用数码设备变压器的选择
数码电子设备所需要的外接电源的电压一般多为3伏、伏、5伏、伏、6伏、伏、伏（数码相机、掌上电脑）、9-12伏（摄象机）；手提电脑用的外接电源一般是12-19伏的。
在选择过程中，必须考虑外接变压器输出电压高低和电流大小的问题。
1：
常用数码设备变压器的选择_直流输出电压范围的确定
一般我们使用的数码设备等电子产品所用的电压都会在产品的外壳写清楚。
如：
dc3伏，或者dc5伏。
这是表明要使用直流输出电压为3伏的电源变压器或者直流输出电压为5伏的变压器给它供电。
其实，电子产品在设计的时候，对于电压的工作范围都有一个比较宽松的耐压和欠压范围。
也就是说虽然那些电子产品上面写了是3伏5伏的，但并不是必须要那么严格。
数码设备里面的电子电路在设计的时候已经考虑了这些情况。
说的简单点，标明dc3伏的，它的电压工作范围一般在：
伏伏都可以用（也就是说可以选择输出电压为3伏或者伏的标准电源变压器）；标明dc5伏的，它的电压工作范围一般在：
伏（也说选择输出电压为伏、5伏和伏的标准电源变压器）；这些在电子产品设计的时候已经在集成电路里面就作好了的。
所以，我们在选择电源变压器的时候，只要结合你的电子产品标示的电压数据，选择在工作范围的电源变压器就可以正常工作，也不会烧坏（或者发生电压低的故障）。
2：
常用数码设备变压器的选择_变压器输出电流大小的选择
电压确定了，在选择电源变压器的时候，要优先选择输出电流大的。
这样，就可以为那些要求电流大的电子产品提供强劲的电流，从而保证用电器获得稳定的电压和减少发热。
数码相机和摄象机一般要选择输出电流达1a--2a的，pda电流要小些。
笔记本电脑电流要求的要高一些一般在2-4a。
这些都是我们在选择外接变压器要考虑的。
进口的电源变压器它上面标示的电流一般比较规范，而且过载能力强，这与设计产品时所用的电子元件有关系，许多或者说留的余量比较大；一般标明1a的，输出左右；国产许多杂牌的变压器上面标明是1a的，输出电流达不到1a，有的也许在700-800ma左右。
变压器功率铁芯的选用按公式预计算：
S＝×根号P，（S是套着线圈部位铁芯的截面积，单位：
CM，P为功率）
变压器设计方法与技巧概述
一、设计2kVA以下的电源变压器及音频变压器
一些电子线路设计人员及电子、电工爱好者经常碰到设计好的变压器，绕制时却绕不下；另外，设计的变压器，在带足负载后，次级电压明显下降。
还有一部分设计的变压器的性能良好，但成本较高而没有商业价值。
笔者在这里谈谈变压器的设计方法与技巧。
●变压器截面积确定：
大家知道铁芯截面积是根据变压器总功率“P”确定的（A=*SQRT（P）。
在设计时，假定负载是恒定不变的，则其铁芯截面积通常可选取计算的理论值。
如果其负载是变化比较大的，例如，音频、功放电源等变压器的截面积，则应适当大于理论计算值．这样才能保证有足够的功率输出能力（因为一旦截面积确定后，就不可能再选择功率余量了）。
如何确定这些变压器的"P"值呢应该计算出使用时负荷的最大功率。
并且估算出某些变压器在使用中需要输出的最大功率。
特别是音频变压器、功放电路的电源变压器等（笔者测试过多种功放电路的音频变压器、功放电路的电源变压器；音频变压器在大动态下明显失真，电源变压器在大动态下次级电压明显下降。
经测算，截面积不够是产生上述现象的主要原因之一）。
●每伏匝数的确定：
变压器的匝数主要取决于铁芯截面积和硅钢片的质量，通常从参考书籍计算出的每伏匝数是比较多的，经实验证明，从理论设计的数值上，将每伏匝数降低10％～15％是没有问题的。
例如，一只35W的电源变压器，根据理论计算（中矽钢片8500高斯）每伏匝数为匝，而实际每伏只需6匝就可以了，且这样绕制的变压器空载电流在26mA左右。
笔者和同行在解剖过日本生产的家用电器上的电源变压器时发现。
他们生产的变压器每伏匝数比我们国产的变压器线圈匝数要少得多，同样35W的电源变压器每伏匝数只有4．8匝，空载电流45mA左右。
通过适当减少匝数。
绕制出来的变压器不但可以降低内阻，而且避免了采用普通规格硅钢片时经常出现的绕不下的麻烦。
还节省了成本，提高了性价比。
●漆包线的线径确定：
线径是根据负载电流而确定的。
由于在不同的情况下，漆包线通载电流差距较大，故确定线径的幅度也较大，一般在额定的电流下连续工作的变压器，其工作电流基本不变，但在散热条件不理想，且环境温度比较高时，应按电流密度为2A/mm2选取漆包线的线经。
如果变压器连续工作时负载电流基本不变，但本身散热条件很好，环境温度又不高，漆包线按电流密度mm2选取线径：
假如一般时段工作电流只有最大电流的1／2。
漆包线按电流密度3—／mm2选取线径。
音频变压器的漆包线按电流密度～4A/mm2选取线径。
这样，因时制宜取材，既可保证质量又可大大降低成本。
二、两种特殊变压器设计方法与技巧
●高压工频变压器：
这类变压器往往工作电压几千伏，但电流只有毫安至几十毫安，由于电压较高，次级的绝缘要求很高，在绕制时，常采用层层垫纸，这按通常方法设计且采用普通规格化的硅钢片是绕不下的。
故应选用窗口较大的硅钢片，另外适当增加叠厚，用加大截面积的办法来减少初、次级的匝数。
●多次级的变压器：
这类变压器的次级多数在七八组以上．电流大小不等，但每组不一定同时接负载，所以计算功率不一定全部算进去，只要将同时带负载的次级绕组计算出来即可。
同样应选窗口较大的硅钢片，初级线圈的线径应根据次级各组同时使用的实际功率确定。
采用以上的方法设计。
既能保证性能又可以降低生产的成本。
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