EI工频变压器设计的几个问题

中国三江航天集团 黄永吾

工频变压器在被大家称为低频变压器，以示与开关电源用高频变压器有区别。工频变压器在过去传统的电源中大量使用，而这些电源的稳定方式又是采用线性调节的，所以那些传统的电源又被称为线性电源

工频变压器的原理非常简单，理论上推导出相关计算式也不复杂，所以大家形成了看法：太简单了，就那三、四个计算公式，没什么可研究的。设计时只要根据那些简单的公式，立马成功。掌握了电压高了拆掉几圈，电压低了加几圈，空载电流大了，适当增加初级圈数，也觉的低工频变压器的非常简单。

我认为上面的认识既有可取之处，也有值得研究的地方。可取之处：根据计算式或自己打样，可以很快就得出结果，解决了问题；加上有六七年以上得实际工作经验，可说是在某单位得心应手，鹤立鸡群。值得研究的地方是：你是否了解自己设计出的产品性能？设计合理吗？设计优化过吗？经济性如何？

过去电源变压器的设计由电子部牵头组织专家学者成立变压器工作组，编写典型计算免费发放各单位，作为计算依据，每个单位都有自己的变压器设计人员,由于有了参数表的存在，各厂设计出来的变压器各参数基本一致，连圈数和线径都可能一一模一样。验收的规则也是统一到变压器总技术条件上来。改革开放以后国营企业的变压器设计人员，除极少数外，下海的不多。典型计算资料本不可多得，要按失密论处。加上典型计算是原苏联的一套铁心规格与现行得EI铁心片规格不符，无参照价值。目前基本上是采用师傅带徒第的方式带出来一大批变压器工程人员。。与过去不同现有的工程技术人员大都是自己打样，由于工频变压器市场广泛，小单子很多。而这些单子很多是从关系接来的。不十分计较价格，因此理论水平一般，实际经验丰富的工程技术人员大有人在。

从设计角度来看师师傅带徒第的方式带出来一大批变压器工程人员，他门的设计风格各不相同。

A. 根据功率选铁芯规格就是个很繁杂的问题，因为涉及的因素比较多，有以下几种

方法

1． 采用下面的半经验公式去选取：

AfeKP(1)

式中Afe--铁心有效截面积cm2

K--- 系数

P—变压器输出功率 w

定下Afe后，然后进行其它的计算。这确实是一种实用的方法，但也要认识到，这也是一种简化了的设计方法，大多数情况下存在着浪费。这种设计方法对业余爱好者来说用不着讨论(只是偶尔设计一个变压器自己用)，但对企业来说，值得讨论，产品中大批量采用这种设计时，体现的是降低了经济效益。 2． 也可采用下面的半经验公式去选取：

AfeAwKP(2) 式中Afe--铁心有效截面积cm2

Aw--铁心窗口面积cm2 K--- 系数

P—变压器输出功率 w

此公式要较前一公式精确一些，起码考虑了铁心窗口的存在。

3． 由理论计算推导的公式

a. 由温升推导的公式

P0.0222fBJAfeAcu

b. 由电压调整率决定时，计算式为：

P0.555f2B2式中：f工作频率HzA2feAcuZlcuU%J电流密度A/mm2B磁通密度TZ与铜阻温度系数有关的因子Acu铁心窗口中导线的面积cm2lcu线圈平均匝长cmU%电压调整率频率Hz 电压调整率 EI28×11.5 EI35×11.5 EI35×13.5 EI35×15.5 EI41×13.5 EI41×16.5 EI41×20 EI41×24.5 EI41×26.5 EI48×16 EI48×21 EI48×23.5 EI48×26.5 EI48×30.5 EI48×34 EI48×40 EI54×18 EI54×22 EI54×25 EI57×19 EI57×22 EI57×25 EI57×30 EI66×28 EI66×32 EI66×36 EI66×45 EI76×24 EI76×26 EI76×35.5 EI76×40.5

4． 由参数表提供的功率与电压调整率选铁芯规格(表格中数字为瓦) 50 60 10％ 15％ 20％ 25％ 30％ 10％ 15％ 20％ 0.29 0.7 0.98 1.15 1.6 0.48 0.96 1.38 0.7 1.15 1.7 2.1 2.5 1.0 1.7 2.4 0.75 1.3 1.9 2.5 3.0 1.4 2.45 3.1 1.2 1.9 2.6 3.5 4.0 1.9 2.9 4.3 2.2 3.5 4.5 6.2 7.0 3.4 5.4 7.3 3.0 5.0 6.7 8.5 9.5 4.8 7.5 10.6 4.7 6.8 9.5 11.0 13.2 6.5 10.2 13.1 5.8 8.7 13.2 15.0 17.0 8.4 14.3 18.0 7.2 11.0 14.0 16.8 19.0 10.5 15.3 18.5 5.0 8.0 10.5 12.5 7.5 11.0 13.5 17.5 22.0 26.5 31.0 12.5 18.0 22.0 18.5 24.0 29.0 40.0 11.0 14.1

25％ 30％ 1.7 2.1 3.5 4.1 4.1 5.5 5.3 6.2 8.8 10.8 12.2 13.2 15.0 8.1 13.3 15.5 18(22) 9.0 15.0 20.0 11.3 18.0 23.0 13.0 22 26(18%) 17.5 25.5 28(16%) 22.0 30.5 10.0 13.5 16(18%) 12.0 18.0 14.0 15(13%) 13.0 20.5 24.0 15.5 25.0 20.0 29.0 26.0 38.0 37.0 48.0 55.0 63.0 46.0 50.0 68.0 80.0 19.0 21.0 21.0 24.0 28.0 31.0 37.0 18.0 22(12%) 26.5 33(13%) 38(13%) 42(11%) EI76×42.5 85.0 EI76×50.5 97.0 EI76×56.5 106 5． 半经验公式的推导

U4.44BfWAfe104B磁通密度(T)f工作频率(Hz)W圈数U电压(V)Afe铁心有效面积(cm2)

IJAcu2J4PUI(4)4.44BfWAfeI1044.44BfWAfeJAcu21044.44BfWAfeJJ电流密度(A/mm2)Acu2单根导线截面积(mm2)I流经导线的电流(A)d裸线直径(mm)d2(3)4d2104

2WKcuW令AKwwAfe4Aw102(5)4102KcuAw(6)2

AwKwAfe(7)Kcu窗口填充系数Aw铁心窗口面积(cm2)KW铁心窗口与铁心有效截面之比由式(6)式(7)代入(4)PUI4.44BfAfeJW4KAw4.44BfAfeJcu10222.22BfAfeJKcuAw102d2104当f50Hz时P1.11BAfeJKcuAw(8)1.11BAfeJKcuKwAfe1.11BA2feJKcuKw由式(8)AfeP(9)1.11BJKcuKw

例EI4823.5与EI4830Kcu0.286Aw2.40.81.92(cm2)EI4823.5A1.92Kww0.532Afe1.62.350.96EI4830A1.92Kww0.417Afe1.630.96如磁通密度B1.5T电流密度J3.5A/mm2代入式(9)

EI4823.5AfeP1.11BJKcuKwP1.111.53.50.2860.5321.062PEI4830AfeP1.11BJKcuKwP1.111.53.50.2860.4171.2P用公式(1)选铁心时EI4823.5与EI4830前面的系数是不一样的,也就是说AfeKP此公式只能参考

公式(2)的推导P1.11BAfeJKcuAwAfeAwP1.11BJKcu

当磁通密度B1.5(T),电流密度J3.5(A/mm2)PAfeAw0.6P1.111.53.50.286用公式(2)选铁心时EI4823.5与EI4830前面的系数是一样的.相对来说比公式(1)要准但如磁通密度与电流密度不一样前面的系数也不一样

B. 磁通密度

磁通密度：有用空载磁通密度，也有用负载磁通密度,“电子变压器手册“一书中采用的是负载磁通密度，因电压调整率小与10％故采用相同的磁通密度还可以现电压调整

率有的大与30％，采用相同的复载磁通密度有一定困难。下面举一例。 铁芯型号 空载磁通密度 初级电压 频率 匝数 线径 1.918T 220V 50 5850 0.05 EI28×11.5 EI35×11.5 EI35×13.5 EI35×13.5 EI35×15.5 EI41×16.5 EI41×20 EI41×14.5 EI41×26.5 EI48×23.5 EI48×30.5 EI54×29.5 EI57×30 EI66×36 1.8T 1.7T 1.724T 1.7T 1.55T 1.55T 1.55T 1.55T 1.55T 1.55T 1.5T 1.39T 1.37T 220V 220V 120V 220V 220V 220V 220V 220V 220V 220V 220V 220V 220V 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 5195 4684 2100 4081 3105 2561 2091 1933 1771 1365 1300 1300 950 0.06 0.07 0.1 0.08 0.1 0.11 0.12 0.12 0.14 0.16 0.2 0.21 0.29

以上数字为H50 0.5mm材料，可根据空载电流要求调整，仅供参考。

铁心型号 EI-28 EI-35 EI-41 EI-48 1.65~1.75 1.6~1.7 1.55-1.65 1.45~1.6 最大磁通密度 EI-57 EI-60 EI-66 EI-76 铁心型号 1.4~1.55 1.4~1.55 1.35~1.5 1.3~1.48 最大磁通密度 C. 电压调整率

虽然都叫电压调整率但实际含义不一样，目前有两种定义。

1． 电力变压器定义：

EI-54 1.45~1.57 EI-86 1.25~1.45 U%U0U U2． 电子变压器手册定义

U%

U0UU0U负载电压 U0空载电压使用第一种定义的占多数。第二种定义是原电子工业部变压器工作组对电压调整率下的定义，在电子行业各种资料中占多数。 D. 电流密度与选线径

1． 不管变压器功率多大同样的电流选相同的线径

有用下列公式来计算线径的:

dI(mm) 2.4I电流(A)2． 根据经验、多大的铁心选多大的电流密度。这是个人多年的心得、即是本人

愿意，也不是一句话、两句话可以把心得告诉别人。告诉你电流密度的一个范围就不错了，但没有经验的人，还是用不上。电流密度取值是整数或小数点后一位。采用经验数字，不同功率采用不同电流密度或不同铁心尺寸采用不同电流密度

1)表1：要求变压器温升值为50度上下时，电流密度(A/mm2)可以参考下表 变压器功率 温升=35度 温升=40度 温升=45度 温升=50度 5VA 6VA 7VA 8VA 9VA 10VA 15VA 20VA 25VA 30VA 40VA 50VA 70VA 100VA 150VA 200VA 250VA 4.5 4.3 4.1 3.9 3.8 3.7 3.4 3.2 3.0 2.8 2.7 2.5 2.4 2.2 2.0 1.9 1.8 4.7 4.4 4.3 4.1 4.0 3.9 3.6 3.4 3.2 3.1 2.9 2.8 2.6 2.4 2.3 2.2 2.1 4.8 4.6 4.5 4.3 4.2 4.1 3.9 3.6 3.5 3.3 3.2 3.1 2.9 2.7 2.6 2.5 2.3 5.0 4.8 4.7 4.5 4.4 4.3 4.1 3.8 3.7 3.6 3.4 3.3 3.1 3.0 2.8 2.7 2.6 2) 不同铁心尺寸采用不同电流密度 铁心型号 EI 28 EI 35 EI 41 EI 48 EI 54 EI 60 电流密度 5~5.6 4.5~5.5 4~5 3.5~4.5 3~4 2.5~3.5 铁心型号 EI 66 EI 76 EI 85 EI 96 EI 105 EI 114 电流密度 2~2.5 2~2.3 1.7~2 1.5~1.8 1.2~1.5 1~1.3 3． 通过计算，不同的铁心规格、不同的电压调整率、不同的温升、不同的铁心

材料、不同的次级电压、不同的环境温度、不同的导线耐热等级、铁心的黑片与白片、初级与次级―――电流密度都不相同。适用出书与计算参数表，这类电流密度一般精确到小数点后二位。根据温升或允许电压调整率计算出电流密度再算出线径

1) 根据温升计算出电流密度

JPcuZGcu

Pcu允许铜损(w)Gcu铜导线质量(kg)Z与温度有关因子2) 根据允许电压调整率计算出电流密度

J2.5

fBAfeZlcuU%

3) 由电流密度再算出线径

IJ d裸线直径mmd1.13I电流AJ电流密度A/mm2

4． 根据圈数算出线径

为什麽不用电流密度可选铁心，因为计算电流密度时要用到导线的总面积ACU(Sm),而ACU(Sm)除以圈数即可得导线的直径。而计算电流密度再来计算线径绕了一个大圈子。，简单打个比喻，一种胶心，你能绕满某一线径的圈数是一定的，反过来说，要绕满一定的圈

数，其线径也是固定的。两个次级绕组，要你动一下脑筋就会想出办法。

圈数定了，可绕的最大线径只有一个，可以不用电流密度.采用槽满率来计算线径，槽满率是借用电机设计中的一项指标，用来检查导线能否在槽中放得下，此方法也要首先要计算出圈数，圈数确定以后，骨架上能绕的最大带绝缘线径只能有一个，这种计算方法绕的线圈比较饱满，其计算方法如下：

0.9Awb(mm)W(mm2) Awb骨架上可绕线面积dW圈数dj导线带绝缘线径计算出的是带绝缘线径，然后查线规表查出裸线径。