變壓器的設計需要注意的點比較多,根據楞次定律:感應電流的磁場總是要阻礙引起感應電流的磁通量的變化,原磁通量增大時方向相反,原磁通量減小時方向相同。變壓器原邊將產生一個大小相等,方向相反的反向電動勢抵消輸入的220V電壓,導線中僅有微弱的勵磁電流流過。
變壓器的繞組是變壓器的電路部分,它是用雙絲包絕緣扁線或漆包圓線繞成變壓器的基本原理是電磁感應原理,現以單相雙繞組變壓器為例說明其基本工作原理:當一次側繞組上加上電壓Ú1時,流過電流Í1,在鐵芯中就產生交變磁通Ø1,這些磁通稱為主磁通,在它作用下,兩側繞組分別感應電勢É1,É2,感應電勢公式為:E=4.44fNØm
式中:
E--感應電勢有效值
f--頻率
N--匝數
Øm--主磁通最大值。
由于二次繞組與一次繞組匝數不同,感應電勢E1和E2大小也不同,當略去內阻抗壓降后,電壓Ú1和Ú2大小也就不同。當變壓器二次側空載時,一次側僅流過主磁通的電流,這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流時,也在鐵芯中產生磁通,力圖改變主磁通,但一次電壓不變時,主磁通是不變的,一次側就要流過兩部分電流,一部分為激磁電流,一部分為用來平衡。所以這部分電流隨著平衡電流變化而變化。當電流乘以匝數時,就是磁勢。
變壓器線圈匝數很多,額定功率越大的變壓器,鐵芯體積越大,其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態,而不是進入磁飽和狀態。實際中使用的變壓器都是非理想的,有可能進入磁飽和狀態,從而失去變壓器功能。我們設計變壓器的目的就是保證在額定電壓,額定功率下,變壓器正常工作。變壓器存在導線電阻、漏感、分布電容、分布電感、溫升、銅損、鐵損等問題,根據不同的變壓器類型,有些參數不能忽略。制作變壓器我們需要知道以下信息:(1)磁芯規格(磁芯形狀、磁芯大小、磁芯材料);(2)匝數與導線規格(原副邊匝數、導線直徑);(3)損耗與溫升;(4)導線結構:多股線或扁平線;(5)繞組結構:多層或分段饒制;(6)端空設計:按絕緣電位設計端空。
磁芯規格其實就是要確定橫截面積和工作點。一般功率決定橫截面積大小,功率越大,橫截面積越大。有經驗公式可以快速根據功率確定橫截面積,也可以直接查表。磁芯材料確定后,根據其特性曲線,我們要選擇合適的工作點B0。B0太大會導致磁飽和,太小又會使得體積龐大、重量沉、功耗大、成本高。當電源頻率、工作點B0、橫截面積都確定后,就可以計算出每伏匝數,用輸入電壓除以每伏匝數就可以得到原邊匝數。進而可以求得副邊匝數。
導線直徑取決于電流密度,而電流密度又取決于電壓調整率或溫升,受二者共同約束,哪個約束條件算出來的J值小,就選擇哪個J值。J值小肯定不會有溫升/電壓調整率問題,但也不是越小越好,J小的話,導線直徑太粗,銅重量大、體積大、成本高,有時線包厚度可能超過鐵芯窗口尺寸,根本無法繞制。
電流密度J和溫升有什么關系呢?很多初學者可能想到去查書,其實,變壓器設計是一項實踐性很強的工作,理論派這時已經玩不轉了,此時需要大量實踐經驗。也有人可能會抱怨資料不足,這不是問題,沒有資料可以做實驗得到。就象沒有DIP器件封裝數據,你完全可以直接用尺子量出引腳間距來。不知道程序出錯原因,完全可以通過調試找到。
溫升和銅損鐵損有關,和散熱條件有關,帶散熱片的溫度就低,散熱片上有風扇的溫度更低,風扇轉速快的肯定溫度又要降低了。此外,還和外部環境溫度有關,在南極零下50度,溫升就不是問題,在赤道沙漠里,溫升可能導致鐵芯磁特性曲線飄移,進而磁飽和,失去變壓器功能。總之決定溫升的因素很復雜:管芯到封裝的熱阻、接觸面積、接觸面光滑度、導熱硅脂、散熱器材料體積、表面積、鰭形、涂層材料、顏色、空氣密度、流速等共同決定溫升。
電流密度J和溫升的關系只能憑經驗確定了。一般通過經驗公式確定。所謂經驗公式是指:通過一系列結果可重復的實驗,得到數據曲線,使用數值分析方法多項式擬合,得到經驗公式。此公式在我們的經驗范圍內正確,可以準確預測結果,可以重復驗證。注意:經驗公式存在局限性,如果預測結果不對,就需要再次修正經驗公式,增加我們的經驗。由此可知,經驗越多,越不容易出錯,想要設計好變壓器需要積累大量經驗。
變變壓器的匝數設計,先設計好原邊的匝數后,根據變比來計算付邊匝數。這樣一來會有個問題,就是計算出來的付邊匝數大都不是整數,大家都喜歡四舍五入來取整,這樣就帶來一個問題。由于付邊的匝數很少,四舍五入引起的誤差比率就會很大。在這里,我們可以根據計算出來的付邊匝數選擇一個合適的整數,通過變比反推原邊的匝數,然后取整。由于原邊的匝數較多,取整帶來的誤差就相對較小。
變壓器是一種商品,我們沒有必要每次都從頭設計,那樣太浪費時間。此時,利用表格、EXECL電子表格、經驗值可以大大加快設計速度。
以上個人愚見,有問題互相探討。