电源变压器原理与设计制作

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1、电源变压器原理与设计制作所有的电子电路在工作时，无一例外地需要不同电压、不同功率的直流供电。诚然，我们可以用现 成的直流电源诸如电池、蓄电池直接供出。但当一个电子设备需要多种功率、多种直流电压时，则力不 从心了。所以，除去小功率、单一供电电压的便携式电器用电池外，其它所有的电器都是用廉价的交流 电作为动力。但民用单相交流电只有一种电压一220V,这就需要一种器件能将220V的交流电变换成一 个或多个所需的交流电压，再经过整流、滤波、稳压电路得到需要的直流电压。能够完成这一功能的器 件，就是电源变压器。所以说，电源变压器是用来改变交流电压、交流电流的器件。也就是说，当一个 固定电压的交流电加到电

2、源变压器上时，它可以变换成需要的交流电压，进而再转换成直流电。1. 变压器的简单原理和特性最简单的单相变压器结构如图1所示。它由原线圈(初级绕组)、副线圈(次级绕组)和铁心组成。初 级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗地说，变压器是一种电-磁-电 转换器件，即初级的交流电转化成铁心的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势, 接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。绕组绝缘*4直流电不能产生交变磁场，故变压器不能用于变换直流电压。我们用Ul,El,Nl分别代表输入端的电源电压、感应电动势和初级线圈的匝数，用U2,E2,N2分别代 表榆出电压、感应电动

3、势和次级线圈的匝数。当交流电压Ul加到初级线圈后，在初、次级线圈中分别感 应出交变电动势El,E2。根据电磁感应定律，其电动势分别为：El=4.44fNie xlO-8(V), E2=4.44fN2O x10-8(V)。当次级线圈开路时（不接负载），变压器空载运行，初级线圈中只有少量的励磁电流通过，即空载电 流。如果忽略变压器的损耗，变压器又是空载，则初级线圈电压降极小，次级电压降为零，那么 Ul E1,U2E2。比较上述E1,E2式，则有U1/U2二E1/E2二N1/N2二n。式中，n称作变压比，简称变比，变比 表明只有初次级线圈的匝数不同时，变压器才能起到变换电压、电流的作用。若n=l,没

4、有电压、电流 的变换作用，叫做隔离变压器;若nl,次级电压低于初级电压，为降压变压器;若nl，次级电压高于初 级电压，为升压变压器。当次级线圈接上负载时，忽略变压器的损耗，则输入功率P1=P2，即U1I1=U2I2，则有 U1/U2=I2/I1=N1/N2。由上述讨论知:变压器两侧的电压与初、次级线圈的匝数成正比，与初、次级中的电流成反比。实际中，变压器的初、次级线圈和导磁铁心总要消耗部分电功率，包括铜损、铁损（磁滞损失、涡流 损失）等，也就是说，变压器的效率n不是io。，而是n =ioo%xP2/pi。变压器的效率与铁心质量、绕 制工艺等多种因素有关。一般来说，变压器的容量越大，效率就越高，

5、对于功率是1000W以下的变压器 效率在65%-90%之间。2. 电源变压器的结构主要由初、次级绕组和铁心构成。 绕组结构形式 用于电子电器中的电源变压器，其初、次级绕组大多采用密绕多层式结构。在一个横截面是矩形的绝缘框架（塑料或纸板）上，用高强度漆包线均匀密绕，一层完毕后，敷以绝缘材料后再 绕第二层， 直到匝数合适止。根据设计要求，在一个线圈框架上，既可以绕制一个绕组，也可以绕制多个绕组。其外形和纵切面示意图如图2所示。 铁心的结构形式 铁心用不同形状的硅钢片，叠制成一定的厚度，片间绝缘。在保证一定的强度下 片的厚度越小越好。铁心起导磁作用，因此成品应该是一个闭合导磁体。铁心有心式（绕组外露

6、）和壳式（铁 心包绕组）两种。常用铁心的结构形式和变压器成品外形如图3所示。其中，心式铁心适合于初、次级分 开的两框架式，壳式铁心适合于初、次级在一起的单框架式。口 ?辰C形心业予形L：形心心式铁心式蟻心壳式铁心真铁心(:帚心式变山字比讥式压黠匠面罔交出器外形3. 变压器的设计要自制一个电源变压器，重要的是根据所需功率、电压、电流确定铁心的用量(截面积)和各个绕组 的匝数、导线直径等参数。对于烧坏需要翻新的变压器，只需按照原样重绕即可。对于功率在1000W以 下的电源变压器，常采用两种设计方法:计算法和图表法。前者计算麻烦但较为精确，后者简便但误差较 大，本文只介绍计算法。计算法大致分 5步。

7、 计算变压器的功率pi先根据次级负载的大小确定次级功率P2,再根据n =ioo%xP2/pi确定pi,n 取中间值 85%，则 P1=1.15P2。 确定铁心截面积S据经验公式S(1.02.0)Pll/2(cm2),系数的大小取决于铁心的质量。当Pl50W 时，系数取1.5-2.0;当Pl500W时，系数取1.25;当Pl W 1000W时，系数取1.0-1.25。铁心截面积指 绕组所包裹的那个矩形铁心柱的横截面积，单位是 cm2。 求每伏匝数NO经验公式N0=45/S(匝/伏)，式中S的单位是cm2。初级匝数N1=NOU1，次级匝数 =NOU2。 导线直径d的计算根据各个绕组在应用中通过的最

8、大电流确定，d=0.711/2 (mm)。 校核铁心窗口是否能容纳所有绕组 校核时，首先要知道每个绕组的层数。根据导线的直径和窗口 高度计算出每层匝数，再用每个绕组的总匝数去除每层匝数即得绕组的层数。然后根据层数以及层间和 绕组间所用绝缘材料的厚度以及框架材料的厚度等参数相加，计算出绕组的总厚度。窗口和绕组纵切面 如图4所示。一般层间绝缘用的牛皮纸厚度为0.05mm，白玻璃纸厚度为0.015-0.02mm之间。线径较粗 的层间绝缘可用青壳纸，其厚度为0.12mm。至于绕组间的绝缘既可用1层青壳纸，也可用2-3层牛皮纸。总之，绕组的总厚度要W窗口的宽度，绕组的总高度要W窗口的高度。木芯式样线圈抿

9、架框死与铁心配合招4. 变压器的绕制和装配工艺 制作木芯 木芯是为了将线圈框架固定在绕线机上便于绕线的一种辅助工具。其长宽略大于铁心截 面的长宽，高度大于铁心窗口的高度。木芯中间的固定孔一定要打正，免得绕线时晃动歪斜，影响绕线 的速度和质量。木芯宜使用干燥的软质杨木加工。 制作线圈框架 线圈框架用O.5-l.Omm的绝缘纸板、塑料板或胶木板制作。为防止绕组塌落，在两 端加装护线板。木芯和线圈框架结构如图5所示。其内径尺寸略大于铁心截面，高度略小于铁心窗口高 度。 选择绝缘材料 剪裁一些层间和绕组间的绝缘纸，宽度与铁心的窗口高度相同，长度以能把各层线 圈的全部导线包裹起来为度。一般绝缘材料用一层

10、聚脂薄膜（或黄蜡绸）或两层电话纸（或打字蜡纸、刻印 蜡纸），绕组间绝缘用两层电缆纸加一层聚脂薄膜（或黄蜡绸）。 选择漆包线 绕制线圈的漆包线要选用高强度漆包线，不宜采用油基漆包线，防止线间、层间击穿。 绕制时的各引出线及抽头之间的距离尽量远离，防止打火。计算漆包线通过的电流时，以“裸线直径” 为准;估计铁心窗口容量时，以漆包线的“最大外径”为依据。测量漆包线的直径，可用千分卡。 绕线要求 线圈要绕得紧密整齐，匝间无空隙，每匝绕完后要保持为矩形，不可重叠。没有护板且 直径较大的漆包线，第 2 层的线圈要绕在前一层两匝线圈的夹缝之问，绕完后整个线绕组呈宝塔形。否 则边缘的线圈会发生塌落现象。 绕线

11、方法 将术芯连同框架一起装在绕线机的轴上，两端用螺母紧固，然后在框架上包覆内层绝缘a. 起头。细的漆包线起头时先焊上引出焊片，焊片从护板穿出做引出线，内部包覆一层绝缘纸，靠密绕导线的压力固定;较粗的漆包线可直接弯 900后从护板穿出做引出线，然后开始密绕。b. 绕线和抽头。一般先绕制初级绕组。绕线时导线应与前进方向的相反方向微拉3-50，导线即可自 动排齐。遇到抽头时，将导线拧成双折，上下垫上绝缘材料，从护板穿出。绕完一层可涂一遍绝缘清漆 再包覆一层绝缘纸，开始第二层绕制。c. 结尾和屏蔽。结尾的处理方法与起头相似。初级绕组完成后，按设计要求包覆组间绝缘材料。为 防止调变交流声，在初、次级之间

12、要加一层屏蔽层（隔离层）:屏蔽层可以用漆包线密绕一层只引出一个线 头接电路的“地”，另一个头埋在里面不用，并和其他线绝缘:也可以用薄铜皮或铝箔等金属薄片包裹不 闭合（不短路）的一层，中间相距lOmm左右，同时引出一个接头备用。d. 对屏蔽层绝缘后开始绕制次级绕组，工艺要求同上。最后包覆保护绝缘层，整个绕组（线包）完成。 绕组的检查 检查各绕组的直流电阻，不应有短路、断路现象;有条件时，用线圈匝数测量仪检测 绕组匝数，看是否符合设计要求;用500-1000V兆欧表检查各绕组间的绝缘电阻，应在100-500MQ之间。 烘干和浸漆把整个绕组（线包）放在烘干箱中，保持60-80C温度烘烤3-5小时，取

13、出后立即放入 绝缘漆中浸渍 l 小时，之后风干备用。 装配铁心 要求:装配牢固才能满足铁心有效截面积计算要求，消灭额外发热和硅钢片抖动杂声; 装配时铁心时磁路中不要留空隙，以减少磁阻和励磁电流及工作时的“嘴嗡”声。以“山字型”铁心为 例，装配时要交错插入硅钢片，第2片山字豁口方向与第1片相反，交错可以是1片（小功率），也可以 是两片（大功率），片间累叠要整齐紧密，每层都是一个完整的“日”字，同时要按设计要求将全部硅钢 片擂入，不可剩留。铁心的装配示意图如图6所示。最后用木棰敲打铁心，使之整齐紧密。完毕后，整 体浸绝缘清漆一次，风干后放入烘干箱中，保持80C温度烘烤巧15-20小时即可使用了。字

14、横条的插人图6每只呈口 ”字5. 变压器的检验 检测绝缘电阻:用500V兆欧表测量绕组与铁心之间、各绕组之间的绝缘电阻，应2500MQ。 检测次级的空载电压:初级加上额定电压之后，各次级的空载电压误差应在W3%-5%。 空载电流的检测:次级空载、初级加上额定电压之后，流过初级中的电流叫空载电流。这个数值越 小，说明变压器的质量越高。正常时，空载电流值应为满载电流值的10%一15%。 温升试验:次级加上额定负载，连续工作6-8小时，绕组和铁心的温升不能超过50-60C。业余条件下，只要上述检测都正常，那么这个电源变压器设计、制作就是成功的。6. 附录:电源变压器设计便查表常用的10-300VA电

15、源变压器设计参数如附表所示。读者只要核对、计算好输入功率Pl,其他数据 无须经过上述计算，即可查表得到。附表功率(VA)铁心截面每狀匪数(T/V)(infini)铜醱栽面千来电阻(n)电 it104.013.034L 0950. OC3:3487u. u-UZ05” 55, 7luu. 130, 0095D. u26306.97. 0乩2a 150,01331322u.闾7枪7.97,10. 2250. 17Li, C177993U, U4y508.S&, I6. 40 190,053|773Q. 06360壯79” 95. 80” 0145丽:44+5ij. 0877010.510.75.4

16、0, 275Ox 01913571 0J3580L211.15,00 350.0755 j2320. 20893ii. y12.】L -L76 31?0.09621820.空41W12.51霞81.5:0.伽0.133工36312013. 7IL 2t 1工处C. 1741010. .179140h.s15.0.誡0. 20-185. 90. 51IGD15,816.2诂6邀0,255ES. 7丄丁慎1&(16. 817, 2:仁s n0. 6$J0.322 I54, 5工&862U017.7 IS. 1s.i !0. 780. 07131.12300 21. 627. 22. 1, U70.

17、785 I也41. 16截面积 S=A*BS=2.5*2.8=7 平方厘米功率W=(S/1.2)的平方.我是取的1.2系数w=(7/l.3)2=34W变压器功率约 34瓦)功率在10W以下的变压器才取1.3,100W以上的变压器可以取1.1到1.2,10KW以上的变压器可以近似地认为功率=截面积的平 方了, 即系数取 1 就行了每伏需要匝数计算:计算每伏需要绕多少匝(圈数)可按公式:式中 N-每伏匝数;f- 频率即 50Hz;B-硅钢片的磁通密度(T), 一般高硅钢片可达1.2-1.4T，中等的约1-1.2T，低等的约0.7-1T，最差的约0.5-0.7T。 现在已知：f=50Hz，按中等磁通密度计算，B=1T，未知的只有它的截面积了，因此可将上面的公式简化为