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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(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)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.~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*,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(jīng)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zui低,工作zui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。