电子变压器设计

九、变压器的检验 1. 一般常规检验 2. 异常检验 3. 温度上升检验 4. 变压器解体检查 5. 振动检验 6. 其他检验 十、变压器的安全规格 附：常见物理量的概念解释
一、变压器简介 变压器是利用电磁感应原理传输电能或电信号的器件, 它具有变压、 变流和变阻 抗的作用。 变压器的种类很多, 应用十分广泛。 比如在电力系统中用电力变压器把发 电机发出的电压升高后进行远距离输电, 到达目的地后再用变压器把电压降低以便用 户使用, 以此减少传输过程中电能的损耗; 在电子设备和仪器中常用小功率电源变压器 改变市电电压, 再通过整流和滤波, 得到电路所需要的直流电压; 在放大电路中用耦合 变压器传递信号或进行阻抗的匹配等等。 变压器虽然大小悬殊, 用途各异, 但其基本 结构和工作原理却是相同的。它利用电磁感应原理将一种电压、电流的交流电能转换 成同频率的另一种电压、电流的电能。图1-1中(a)为变压器的结构示意图，(b)为变压 器符号。
由于变压器空载电流很小, 一般只有额定电流的百分之几, 因此当变压器 额定运行时, i10N1 可忽略不计。则有 i1N1 ≈－i2N2 。 可见变压器负载运行时, 原、 副绕组产生的磁动势方向相反, 即副边电 流Ｉ２对原边电流Ｉ１产生的磁通有去磁作用。 因此, 当负载阻抗减小, 副边 电流Ｉ２增大时, 铁心中的磁通Φm将减小, 原边电流Ｉ１必然增加, 以保持磁 通Φm基本不变, 所以副边电流变化时, 原边电流也会相应地变化。原、副边 电流有效值的关系为
图4-1 变压器空载运行 副边开路时, 通过原边的空载电流i10就是励磁电流。磁动势i10N1在铁心中产生的主磁 通Φ既穿过原绕组, 也穿过副绕组, 于是在原、 副绕组中分别感应出电动势ｅ1和ｅ2。且ｅ 1和ｅ2与Φ的参考方向之间符合右手螺旋定则, 由法拉第电磁感应定律可得：
e1 N1
d dt d e2 N 2 dt
图1-1 变压器
二、变压器种类 （1）按用途分：电变压器、电源变压器、整流变压器（整流电路用）、电炉变压器（给 电炉供电，二次側电压较低，电能→热能）、电焊变压器（给电焊机供电）、矿用变压器 （干式防爆）、仪用变压器（用在测量设备中）、船用变压器、电子变压器（用在电子线 路中）、电流互感器、电压互感器等； （2）按相数分：单相变压器、三相变压器； （3）按频率分：高频变压器（开关电源）、中频变压器、工频变压器； （4）按冷却介质分：油浸变压器、干式变压器（空气自冷）、水冷变压器； （5）按铁心形式分：心式变压器、壳式变压器； （6）按绕组数分：双绕组变压器、自耦变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。
ｅ１和ｅ２的有效值分别为
E1 4.44 fN1 m E2 4.44 fN 2 m
式中ｆ为交流电源的频率, Φm为主磁通的最大值。
(4.1) (4.2)
如果忽略漏磁通的影响并且不考虑绕组上电阻的压降时, 可认为原、 副绕组上电动势 的有效值近似等于原、副绕组上电压的有效值, 即
U1 E1 U 2 E2
因此
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U1 E 4.44 fN1 m N1 1 K U 20 E2 4.44 fN 2 m N 2
(4.3)
由式（4.3）可见, 变压器空载运行时, 原、 副绕组上电压的比值等于两者的匝数之比,
Ｋ称为变压器的变比。 若改变变压器原、 副绕组的匝数, 就能够把某一数值的交流电压变
为同频率的另一数值的交流电压。 当原绕组的匝数Ｎ1比副绕组的匝数Ｎ２多时, Ｋ＞１, 这种变压器为降压变压器; 反之, 当Ｎ１的匝数少于Ｎ２的匝数时, Ｋ＜１, 为升压变压器。
例 4.2 已知某一变压器 Ｎ１＝1000, Ｎ２＝100, Ｕ１＝20Ｖ, Ｉ２＝2Ａ, 负载为纯电阻, 忽 略变压器的漏磁和损耗, 求变压器的副边电压Ｕ２、原边电流Ｉ１和输入、输出功率。 解 变压比： 副边电压：
N1 1000 10; K N 2 100
U 1 220 22V ; U2 K 10 I 2 原边电流： I 1 2 0.2 A; K 10 输入功率： P 1 U1 I1 220 0.2 44W ;
输出功率：
P2 U 2 I 2 22 2 44W
由此可见, 当变压器的功率损耗忽略不计时, 它的输入功率与输出功率 相等, 符合能量守恒定律。
五、变压器的特性参数 （1）额定容量：是变压器在额定状态下的输出能力的保证值，单位用伏安(VA)、千伏安 (kVA)或兆伏安(MVA)表示，额定容量是视在功率, 是指变压器副边额定电压和额定电流的 乘积. 它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率, 后者和负载的功率因数有关. 所以输 出功率在数值上比额定容量小.由于变压器有很高运行效率，通常原、副绕组的额定容量 设计值相等。 （2）额定电压：是指变压器空载时端电压的保证值，根据变压器的绝缘强度和允许温升 而规定的电压值，单位用伏(V)、千伏(kV)表示。三相变压器原边和副边的额定电压系指线 电压。原边额定电压U1是指原边绕组上应加的电源电压(或输入电压),副边额定输出电压 U2通常是指原边加U1时副边绕组的开路电压. 使用时原边电压不允许超过额定值(一般规 定电压额定值允许变化±5%).考虑有载运行时变压器有内阻抗压降, 所以副边额定输出电 压U2应较负载所需的额定电压高5-10%. 对于负载是固定的电源变压器, 副边额定电压U2 有时是指负载下的输出电压. （3） 额定电流：额定电流是指变压器按规定的工作时间(长时连续工作或短时工作或间歇 断续工作)运行时原副边绕组允许通过的最大电流, 是根据绝缘材料允许的温度定下来的. 由于铜耗, 电流会发热. 电流越大,发热越厉害, 温度就越高. 在额定电流下, 材料老化比较慢. 但如果实际的电流大大超过额定值, 变压器发热就很厉害, 绝缘迅速老化, 变压器的寿命就 要大大缩短.
图 4-2 变压器负载运行
变压器负载运行时, 由ｉ２形成的磁动势ｉ２Ｎ２对磁路也会产生影响, 即铁心中的主磁 通Φ是由i1N1和i2N2共同产生的。由式 U≈E≈4.44fNΦm可知, 当电源电压和频率不变时, 铁 心中的磁通最大值应保持基本不变, 那么磁动势也应保持不变, 即i1N1 +i2N2 = i10N1
N1
U1 220 2477 4.44 f m 4.44 50 0.0004
副绕组的匝数应为
U2 20 N2 225 4.44 f m 4.44 50 0.0004
或
N2
N1 N1 2477 225 220 K U1 U2 20
注：B为磁感应强度（也称为磁通密度），国际单位是特斯拉，其符号为T，磁感应强度 还有一个过时的单位：高斯，其符号为G，1 T = 10000 G。这个符号在技术设施中还广泛 使用。哪里磁场越强，哪里Ｂ的数值越大，磁力线就越密。Wb为磁通量单位，韦伯，简 称韦 ，1Wb=1T*m2
（4）额定频率 ：使用变压器时, 还要注意它对电源频率的要求. 因为在设计变压器时, 是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的. 如果乱用频率, 就有可能变 压器损坏. （5）电压比：指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区 别。 （6）额定温升：变压器的额定温升是以环境温度+40ºC作参考，规定在运行中允许变压 器的温度超出参考环境的最大温升。 （7）空载电流：变压器空载运行时激磁电流占额定电流的百分数。 （8）空载损耗：是指变压器在空载运行时的有功功率损失，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表 示。 （9）短路电压：也称阻抗电压，系指一侧绕组短路，另一侧绕组达到额定电流时所施 加的电压与额定电压的百分比。 （10）短路损耗：一侧绕组短路，另一侧绕组施以电压使两侧绕组都达到额定电流时的 有功损耗，单位以瓦(W)或千瓦(kW)表示。 （11）绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻 的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。
连接发电机与电网的升压变压器 三相干式变压器
接触调压器
高频变压器
工频变压器
三、变压器的结构 变压器由铁心和绕组两个基本部分组成, 他们构成了变压器的器身。 1. 铁心：构成了变压器的磁路，铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁 轭将铁心柱连接起来形成闭合磁路。 铁心材料：为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁滞、涡流损耗，铁心一般用高 磁导率的磁性材料——硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.35～ 0.5mm，两面涂以厚0.02～0.23mm的漆膜，使片与片之间绝缘。 图 3-1为几种常见的铁心形状，其中（a）为口型铁心，（b）为EI型铁心，（c）为FF 型铁心，(d)为C型铁心。
例 4.1 已知某变压器铁心的截面积为 20cm2, 铁心中磁感应强度的最大值不能超过0. ２Ｔ, 若要用它把220Ｖ工频交流电变换成为20Ｖ的同频率交流电, 原、副绕组的匝数应为 多少？ 解 铁心中磁通的最大值
m Bm S 0.2 20 10 4 0.0004Wb
原绕组的匝数应为
目录
一、变压器简介 二、变压器种类 三、变压器的结构 四、变压器工作原理及应用 1. 空载运行和电压变换 2. 负载运行和电流变换 五、变压器的特性参数 六、变压器材料介绍 1. 线架BOBBIN 2. 铁芯CORE 3. 套管TUBE 4. 胶带TAPE 5. 漆包线WIRE 6. 浸渍绝缘漆 7. 变压器主要材料简单总结 七、变压器设计 1. 工频变压器的设计流程 2. 变压器设计举例 3. 工频变压器参数的测量与推导 八、变压器制作 1.工频变压器制作流程 2. 变压器制作工法(低频类) 3. 变压器(3KVA)样机手工制作流程：
按铁心和绕组的组合结构可分为心式变压器和壳式变压器, 如图 3-2所示。 心式变压器的 铁心被绕组包围, 而壳式变压器的铁心则包围绕组。
图3-2 变压器的结构形式
四、变压器工作原理及应用 1. 空载运行和电压变换 如图 4-1，将变压器的原边接在交流电压ｕ1上, 副边开路, 这种运行状态称为空载运行。 此时副绕组中的电流i2=0, 电压为开路电压u20, 原绕组通过的电流为空载电流i10, 电压和电 流的参考方向如图所示。图中Ｎ１为原绕组的匝数, Ｎ２为副绕组的匝数。
图3-1 常见铁心形状
2. 绕组：绕组是变压器的电路部分，一般采用绝缘铜线或铝线绕制, 其中与电源相连的绕 组称为原绕组（或称为原边、一次侧、 初级）; 与负载相连的绕组称为副绕组（或称为副 边、二次侧、次级）。 原绕组：输入电能 副绕组：输出电能 他们通常套装在同一个心柱上，原边和副边绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作 用，原边绕组的电能就可传递到副边绕组，且使原、副次绕组具有不同的电压和电流。其 中，两个绕组中，电压较高的我们称为高压绕组，相应的电压较低的称为低压绕组。
2. 负载运行和电流变换 如图 4-2所示, 变压器的原绕组接交流电压u１, 副绕组接上负载ＺL, 这种运行状态称为 负载运行。 这时副边的电流为ｉ２, 原边电流由ｉ10增大为ｉ１, 且u２略有下降, 这是因为有 了负载后, ｉ１、ｉ２会增大, 原、 副绕组本身的内部压降也要比空载时增大, 使副绕组电压 Ｕ２比Ｅ２低一些。 因为变压器内部压降一般小于额定电压的１０％, 因此变压器有无负载 对电压比的影响不大, 可以认为负载运行时变压器原、 副绕组的电压比仍然基本上等于原、 副绕组匝数之比。
I 1 N2 1 I2 N 1 K
(4.4)
由式（4.4）可见, 当变压器额定运行时, 原、 副边的电流之比近似等于其匝数之比的 倒数。若改变原、 副绕组的匝数, 就能够改变原、 副绕组电流的比值, 这就是变压器的电 流变换作用。 不难看出， 变压器的电压比与电流比互为倒数, 因此匝数多的绕组电压高, 电流小; 匝 数少的绕组电压低, 电流大。