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浅谈PT变压器常用设计方法

2010-01-05 10:50:20 来源:《磁性元件与电源》2010年1月刊 点击:1478

众所周知,PT电源变压器是由英文单词(POWER TRANSFORMER)缩写而来的,其变压器设计知识及技巧是经过前辈不断积累的智慧结晶,很多经典的技术值得我们学习和借鉴。本文总结他们常用的设计方法,进行探讨和总结,供大家参考使用。
电源变压器的容量(即输出功率)的特性,变压器通过铁心时而引起以下电压:E1=4.44×f×N1×Bm×Ae×10-8,其中E1近似为输入电压,
N1 为一次卷线卷数,
Bm 磁通密度(高斯)
Ae 铁心截面积(cm2)
f 频率(Hz)
两边同时乘输入电流I1后可得以下变压器公式:
E1×I1=4.44×f×N1×Bm×Ae×I1×10-8可再次演变以下公式
E1×I1=4.44×kw1×f×δ×Bm×Ae×S×10-8
kw1一次卷线的占据率(%)=
δ电流密度(A/mm2)
S:铁心的窗口面积(cm2)
如果当励磁电流较小而忽略时,E1 I1 便可得变压器的容量P。
P=4.44×kw1×f×δ×Bm×Ae×S×10-8
由上述可得Ae S之积,再依据如图1所示
当负荷的效率近似为1时,可得E1=V2
初级电压变动率ε近似可为以下数据:

I1初级电流(A)
Pc $铜线$固有阻抗1.724×10-4( Ω-cm/ mm2)20℃
S 铜线断面积(mm2)
N1初级圈数
L 为平均卷线长。
还可近似得以下公式:

一次侧与二次侧卷线比为:
,进而可得:
二次卷线
初级卷线负荷电流IL,可根据一次与二次侧安匝总数相等平衡式求得:

注:N2a二次侧回路输出S1圈数;N2b二次侧回路输出S2圈数……
I2a二次侧回路输出S1负载电流;I2b二次侧回路输出S2负载电流……
N1一次侧回路圈数
二次负荷电压时

注:N2a二次侧回路输出S1圈数;N2b二次侧回路输出S2圈数……
I2a二次侧回路输出S1负载电流;I2b二次侧回路输出S2负载电流……
E1一次侧电压
R1一次侧直流电阻(Ω)
R2N二次侧回路S1直流电阻(Ω)
如果还有另外输出外,还需减去相互所影响的电压值:

所以负载电压实际可为:

此外,当以直流方式输出的变压器,应该先把直流输出转化为交流输出电压、电流值,再按照AC~AC方式设计。其转化公式概算如下所示
整流方式 2次电压Eac 2次电流Iac  平均容量(VA)
单向半波整流电路 1.0Edc+Ed 2.3Idc Eac x Iac
桥式全波整流电路 0.85Edc+2Ed 1.65Idc Eac x Iac
全波整流电路 0.85Edc+2Ed 1.65Idc 1.4~1.7Eac×Iac
Ed为整流回路中直流抵抗中二极管的电压降

为了更详细说明以上公式,现举例如下:
规格:一次侧输入:AC230V      50/60Hz
     二次侧输出:S1:AC10V±5%   负荷:0.9A
              S2:AC20V±5%   负荷:0.3A
     温度上升:50K MAX 引线抽屉式电源变压器。
1)首先计算输出容量:
10×0.9+20×0.3=15(VA)
对于此容量,铁心损耗对温度上升影响较小时,磁通密度为15.4千高斯,较低选取,再考虑设计时卷线中温度下降5K左右,设计值为45K左右,所以电流密度为3.2A/mm2。

根据经验取kw1为20%,由于整个一次、二次侧卷线总占据面积约为45%,再由目录显示可得出EI54,厚度25mm骨架来设计。由此可得
铁心截面积Ae=1.8×2.5×0.9=4.1cm2
铁心窗口面积S=2.7×0.9=2.43cm2
由公式E1=4.44×f×N1×Bm×Ae×10-8可求得输入为230V时圈数为如下:

此时变动率可估算出来:

由上述公式可得:

初步估算二次卷数如下:
二次S1卷线
二次S2卷线
由电流密度为3.5A/mm2可分别得出S1和S2线径:
S1:
S2:
进而可得直流电阻值:由资料可得如下数据:
S1:Φ0.55 DCR/kM(每千米DCR值):74.2  cm2/1000T(每千圈面积数)3.8
S2:Φ0.35  DCR/kM(每千米DCR值):186  cm2/1000T(每千圈面积数):1.58
P:Φ0.16  DCR/kM(每千米DCR值):909   cm2/1000T(每千圈面积数)0.374
S1  DCR=0.0742×0.118×80=0.7Ω
S2  DCR=0.186×0.118×159=3.49Ω
初级卷线负荷电流IL

可得:再由电流密度为3.5A/mm2
P1:
可得线径为Φ0.16
P1:DCR=0.909×0.118×1660=178Ω
必须进行进一步验证,看是否相符合,如有不符,必须重新进行圈数调整:
首先计算S1内部所消耗电压降:
U2L1=[(N2N/N1)2×R1+R2N]×I21=[(80/1660)2×178+0.7]×0.9=1(V)
其它输出S2对它相互影响电压降为


所以由空载电压减去上述两个电压降时为:

由此可得与负载电压10V不满足,须再次进行调整:次级S1圈数为:
S1直流电阻
同理:S2
首先计算S2内部所消耗电压降:

S2对它相互影响电压降为


所以由空载电压减去上述两个电压降时为:

由此可得与负载电压20V不满足,须再次进行调整:次级S2圈数为:

S2:
接下来可求重要参数温度上升值;
首先铁损值,由曲线图2可得当Bm=1.54T时W/kG=4.5:
WFe=(278.9+92.9)/1000×4.5=1.67W
其次铜损(一次和二次):
WCU=178×0.072+3.49×0.32+0.71×0.92=1.76W
EI54/25查得放热面积为61.7cm2,根据总损耗与放热面积之比按图表可得温度上升为42K。
其次空载电流可根据相应图表求得。
至此,变压器所需的主要参数已求得,实际上,一些数据可根据试作来进行调整,
通过试作最终确定一些参数。
结束语:当然计算PT变压器各种数据时有很多种计算方法,本文向同行只详细介绍了一些较为常用计算方法,不当之处,望不吝指正。

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