工頻變壓器低頻變壓器設計原理

工頻變壓器被大家稱為低頻變壓器，以示與開關電源用高頻變壓器有區(qū)別，工頻變壓器在過去傳統(tǒng)的電源中大量使用，而這些電源的穩(wěn)定方式又是采用線性調節(jié)的，所以那些傳統(tǒng)的電源又被稱為線性電源。

工頻變壓器的原理非常簡單，理論上推導出相關計算式也不復雜，所以大家形成了看法：太簡單了，就那三、四個計算公式，沒什么可研究的。設計時只要根據(jù)那些簡單的公式，立馬成功。

我認為上面的認識既有可取之處，也有值得研究的地方。可取之處：根據(jù)計算式，可以很快就計算出結果，解決了問題;值得研究的地方是：你是否了解自己設計出的產品性能?設計合理嗎?設計優(yōu)化過嗎?經濟性如何?

舉個例子吧，根據(jù)功率選鐵芯規(guī)格就是個很繁雜的問題，因為涉及的因素比較多。有些書推薦采用下面的半經驗公式去選取：

S = K·Sqrt(P) (1)

定下S后，然后進行其它的計算。這確實是一種實用的方法，但也要認識到，這也是一種簡化了的設計方法，大多數(shù)情況下存在著浪費。這種設計方法對業(yè)余愛好者來說用不著討論(只是偶爾設計一個變壓器自己用)，但對企業(yè)來說，值得討論，產品中大批量采用這種設計時，體現(xiàn)的是降低了經濟效益。

那么，在專業(yè)的場合，比如變壓器生產企業(yè)，他們是怎樣的方法?

原理上，是根據(jù)導線在窗口中的占用系數(shù)去選取鐵芯規(guī)格，但這樣的計算很繁，而且關系不簡單，比如相關計算式是：

P = 0.0222·f·B·J·Sc·Sm (2)

當電流密度由電壓調整率決定時，計算式為：

P = 0.0555(f·f)(B·B)(Sc·Sc)·Sm·ΔU/(Z·Lm) (3)

這樣復雜的關系，要人工拿出一個設計方案是非常頭疼的，于是，專家們就根據(jù)實際情況，將這些關系結合數(shù)據(jù)編制成一系列表，設計工程師只要根據(jù)不同的設計指標查對應的表，就可以得到一組實用的數(shù)據(jù)，比如根據(jù)功率及其它指標查表，得到鐵芯規(guī)格等。

這種方法帶來的便利是如此之大，使得可以較快地拿出一些方案，再結合經驗的積累，可以對方案做適當判斷，再作出優(yōu)化。即使如此，這種方法也存在著兩個大的不足，一是專家們不可能作出所有的系列表，二是工程師們要拿出比較完整的設計出的產品參數(shù)，也得花費大量的時間去一一計算，一天要搞幾個方案出來工程師的頭肯定大了。好在現(xiàn)在的電腦應用普及了，專門的軟件也有了，可讓電腦去做呆板的計算工作，工程師只關注方案的設計和優(yōu)化。

再比如，對于電流密度的選取，簡單設計中一般建議為2.5A~3A/(mm·mm)，但根據(jù)(3)式，小功率調整率大時，電流密度可以取的很大，能達到8~9A/(mm·mm)[參見本欄"會做低頻EI型變壓器的進來聊一聊"貼，我在那里給樓主提供了六個方案]，這時的溫升仍然不大，變壓器可以安全工作，這種設計在保證安全的前提下，一般可以減少用銅量，在銅價很高的情況下，降低了成本;而大功率調整率受限時，電流密度有可能小于2A/(mm·mm)，否則可能使得變壓器溫升過高燒毀變壓器。需要強調說明的是，電流密度不是隨便可以提高的，是和設計時的指標聯(lián)系在一起計算給出的，隨便提高往往導致性能惡化，甚至燒毀變壓器。

也許有人認為：何必那樣斤斤計較?我不這樣認為，都說國外的經濟增長如何如何節(jié)約能源、節(jié)約原材料，難道那不是一點一點摳出來的?開關電源的效率從何而來，不也是一點一點研究出來的嗎?既然道理如此，如果真的從事工頻變壓器生產和設計，就必須認真做好自己的本行，搞清自己的工作相關內容。設想一下，某企業(yè)產品需要各類變壓器，欲招聘一工程師從事設計，給幾個實例讓當場設計，甲、乙兩工程師設計的結果都滿足要求，但甲的成本平均比乙的低10%，你說企業(yè)會錄用誰?

從節(jié)約能源及原材料的角度，在這里與大家分享：

1、減少銅的用量，有兩個方面可以實現(xiàn)，一是減少線徑這就意味著銅阻增大，銅損損耗就會增大。二是減少圈數(shù)，就會使空載電流增大，同樣空載損耗就會加大，如果變壓器長時間的處于通電待機狀態(tài)，電力資源的浪費是非常大的。每年我國因為家用電器的長期處于待機通電狀態(tài)造成的電力浪費以數(shù)十億元計。

2、變壓器設計時應使銅損和鐵損相等，這樣變壓器的損耗最低，工作最穩(wěn)定，如果一個變壓器設計完后，由于為節(jié)省銅線，而采取小號的線徑和減少圈數(shù)的方法，使得鐵心窗口還有很多的空間余量，這樣就說明鐵心的尺寸選擇的過大，造成了鐵心的浪費，由于鐵心的規(guī)格大，繞線的平均周長也大，同樣會造成銅線的用量增加。根據(jù)現(xiàn)在的價格，鐵心的成本要高于銅線的成本。

所以在設計時，在保證性能滿足客戶的要求的情況下，應盡量選擇小號的鐵心，能用41的，就絕不用48的。關于空載電流，從節(jié)省待機的損耗上考慮，還是盡量低的好。