工頻一般指市電的頻率,在我國是50Hz,其他國家也有60Hz的。而可以改變這個頻率交流電的電壓的變壓器,就是叫工頻變壓器了。
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(diào)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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。
工頻變壓器的設計選材
從節(jié)約能源及原材料的角度，可采取以下建議：
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。
工頻變壓器的設計繞制
各種家用電器中，工頻變壓器無論是自行設計繞制，還是修復燒壞的變壓器，都涉及到部分簡單的計算，教科書上的計算公式雖然嚴謹，但實際運用時顯得復雜，不甚方便。本文介紹實用的變壓器計算的經(jīng)驗公式。
1.鐵芯的選擇
根據(jù)自己需要的功率選擇合適的鐵芯是繞制變壓器的第一步。如果鐵芯(硅鋼片)選用過大，將導致變壓器體積增大，成本升高，但鐵芯過小，會增大變壓器的損耗，同時帶負載能力變差。
為了確定鐵芯尺寸，首先要算出變壓器次級的實際消耗功率，它等于變壓器次級各繞組電壓、負載電流的乘積之和。如果是全波整流變壓器，應以變壓器次級電壓的1/2計算。次級繞組消耗功率加入變壓器本身損耗功率，即為變壓器初級視在功率。一般次級繞組功率在10w以下的變壓器，其本身損耗可達次級實際消耗功率的30～50%，其效率僅為50～70%。次級繞組功率在30W以下?lián)p耗約20～30%，50W以下?lián)p耗約15～20%，100w以下?lián)p耗約10～15%，100W以上損耗約10%以下，上述損耗參數(shù)是關于普通插片式變壓器的。如果按照R型變壓器、c型變壓器、環(huán)形變壓器的順序，損耗參數(shù)依次減小。
根據(jù)上述計算的變壓器初級總功率可以選定鐵芯。鐵芯面積S=a×b(cm2).如附圖所示。變壓器視在功率與s的關系用下述經(jīng)驗公式選用：s=K√P1
?
P1為變壓器初級總視在功率，單位為：VA(伏安)，s為應選鐵芯截面積，K為一系數(shù)，隨變壓器Pl大小不同選用不同的值。同時考慮到硅鋼片之間的絕緣漆、空隙的影響，K與P1關系為：
P1 K值
10VA以下 2～2.2
50VA以下 2～1.5
lOOVA以下 1.5～1.4
2.每伏匝數(shù)計算
選定鐵芯s以后。再確定每伏匝數(shù)，以使繞制的變壓器有臺理的激磁電流。常用的經(jīng)驗公式為：N=(40～55)/S，N為每伏匝數(shù)。
根據(jù)不同質(zhì)量的硅鋼片選取系數(shù)40～55。比較高級的高硅鋼，用眼觀察表面有鱗片結(jié)晶.且極脆，只彎折1～2次即斷裂，斷處參差不齊，系數(shù)取為40。若硅鋼片表面光潔，彎折4～5次仍不易斷，斷面為整齊直線，系數(shù)取50以上。
求出每伏匝數(shù)后乘以220V即為初級匝數(shù)，乘以次級要求電壓數(shù)即為次級各繞組匝數(shù)。因為導線有電阻，電流流過時會有電壓降，求出的次級匝數(shù)應增加5～lO%(根據(jù)負載電流選擇，電流大者可增加較大比例)。
3.導線直徑的選擇
根據(jù)各繞組負載電流的大小，選擇不同直徑的漆包線。可用下列經(jīng)驗公式求出：
d=O.8√I，
單位：l--A.d(導線直徑)--mm。
4.繞制方法及注意事項
由于現(xiàn)在的漆包線絕緣強度大幅度提高，因此對50W以下的小功率變壓器大多采用阻燃塑料骨架疊繞法，但必須選用高強度漆包線，且繞制時仍應逐圈排線，嚴禁大幅度斜跨，以免增大導線間電位差。
對50W以上的變壓器，由于每伏匝數(shù)減少，導線間電壓差較高，最好采取每層墊絕緣紙(O.05mm厚的電纜紙、牛皮紙)的方法，在繞制中應絕對避免上層導線滑入下層。各繞組間絕緣應視繞組電壓決定。初次級之間應墊4層以上0.1mm的電纜紙，忌用不干膠膠帶。上述疊繞法的小功率變壓器，如果次級有兩組以上繞組，每組之間也應用兩層電纜紙絕緣。如果變壓器是用在音響或視聽器材中.在多層繞制法中初次級之間應墊入靜電屏蔽層。
繞好后.插硅鋼片也需注意、必須插緊，以避免產(chǎn)生電磁噪音。無論雙E形還是EI形，其端口要緊密接觸.宜交叉插，不能有空隙。最后的4～5片可從中間插入，以免損壞線包。然后進行烘干、浸漆。對50W以下的變壓器可采取內(nèi)熱法烘干。方法是：將變壓器所有次級繞組短路，與60～100W/220V燈泡串聯(lián)接入市電，使其自動升溫。燈泡越大溫度越高，但在密閉狀態(tài)下，使其溫度在80度以下較安全。
工頻變壓器與高頻變壓器的區(qū)別
1、磁性材料的差別:
工頻變壓器采用硅鋼片作為磁芯材料的;高頻變壓器是采用鐵氧體磁芯材料。
2、工作頻率的差別：
工頻變壓器的工作頻率一般是指50HZ貨60HZ的電源頻率;高頻變壓器的工作頻率一般都在1KHZ以上，甚至幾十KHZ或者上百KHZ，應用范圍不同頻率也不一樣。
3、應用方面：
工頻變壓器一般多用于將220V或者110V工頻高壓變換成工頻低壓，供小家電的電路板供電使用(如豆?jié){機、抽油煙機、音響等等，應用范圍比較廣泛;高頻變壓器用途就廣泛了(如;手機充電器，電子鎮(zhèn)流器，開關電源，彩電電源，電腦電源，液晶驅(qū)動及電源等等許多場合都有使用)。
工頻變壓器的設計計算
理論計算完成后還需要實際測試效果進行驗證，因為鐵心參數(shù)，制作工藝可能和我們假設的不一樣，所以設計完成后基本都需要再根據(jù)實測結(jié)果進行調(diào)整。
要求：
高壓輸出：260V，150ma ;
燈絲1：5V，3A;
燈絲2：6.3v，3A 中心處抽頭;
初、次級間應加有屏蔽層。
根據(jù)要求鐵芯型號采用“GEIB一35”。
計算如下：
(1)計算變壓器功率容量(輸入視在功率)：
P =(1.4×高壓交流電壓×電流+燈絲1電壓×電流+燈絲2電壓×電流)/ 效率
=(1.4×260×0.15+5×3+6.3×3)/ 0.9
=(54.6+15+18.9)/ 0.9
= 98.33VA
(2)計算原邊電流
I1=1.05×P / 220=0.469A
(3) 按照選定的電流密度(由計劃的連續(xù)時間決定)，選取漆包線直徑。
如按照3A/mm2計算：D=0.65×√I (0.65×電流的開方)
并規(guī)整為產(chǎn)品規(guī)格里有的線徑(可查資料)：
選定：
原邊直徑D1=0.45mm
高壓繞組直徑D2=0.25mm
燈絲繞組直徑D3=D4=1.12mm
(4) 鐵心截面面積
S0=1.25√(P)=1.25×√98=12.5CM2
(5)鐵心疊厚：
根據(jù)他的要求鐵芯型號采用“GEIB一35”，
查到：舌寬=35MM=3.5CM
則：疊厚=12.5 / 3.5 =3.6CM
一般地(疊厚/舌寬)在1-2之間是比較合適的。
(6)鐵心有效截面積：
S1=舌寬×疊厚 / 1.1 = 11.454 CM2
(7) 計算每伏匝數(shù)
計算式：每伏匝數(shù)n=(45000)/(B×S1)
其中
B=10000-12000(中等質(zhì)量硅鋼片，如原先上海無線電27廠產(chǎn)品鐵心)
或15000(Z11等高質(zhì)量硅硅片)
或8000(電動機用硅鋼片)。
S1：鐵心有效截面積，等于(舌寬×疊厚)/1.1
假定是中等質(zhì)量鐵心，并且保守點，取B=10000
則：
n=450000 / B×S1
= 450000 /(10000×11.454)
=3.93 (T / V )
(8)計算每組匝數(shù)
原邊圈數(shù)：N1=220n=220×3.93×0.95=822(T)
副邊高壓：N2=260×1.05×n=1073(T)--這是一半，還要再×2=2146T。
燈絲1(5V)： N3=5×1.05×n=21(T)
燈絲2(6.3V)：N3=6.3×1.05×n =26(T)
(10)計算每層可繞圈數(shù)(窗口高度兩端要留下3MM)：
查得該鐵心窗口高度h=61.5mm，
查表得知：選用的漆包線帶漆皮最大外徑
D1Max=0.51mm
D2Max=0.30mm
D3Max=1.23mm
D4Max=1.23mm
按照 每層可繞：N =(h-0.5-2×3)/(K×DMax)計算
(分子的含義是：由h=61.5mm==》可繞線寬度為61.5-0.5-2×3=55mm)
(分母是排線系數(shù)K×最大外徑DMax，對于初學者，小于0.3的線K=1.20，0.3-0.8的線K=1.15，大于0.8的線K=1.10。。如您已經(jīng)有較好的繞線經(jīng)驗，K可以=105～102)
代入上述數(shù)據(jù)得到：
原邊每層可繞：94圈
高壓每層可繞：154圈
燈絲每層可繞：39圈(最后有討論)。
(也可以直接查“每厘米可繞圈數(shù)表”得到)
(11)各繞組的層數(shù)
前面已經(jīng)算出各組圈數(shù)則，則各繞組的層數(shù)：
原邊=822/ 94=8.74，取9層
高壓=2146/154=13.94，取14層
燈絲1：1層，
燈絲2：1層。
(12)絕緣設計
骨架，用1MM厚紅鋼紙，外加0.15MM覆膜青殼紙1層+0.08MM電纜紙1層;
原邊繞組墊紙用0.08MM電纜紙;
副邊高壓繞組墊紙用0.05MM電纜紙;
組間絕緣用0.08MM電纜紙1層+0.15MM覆膜青殼紙2層+0.08MM電纜紙1層;
(繞組外絕緣同組間絕緣)
(13)計算線包(壓實的)厚度：
=(1+0.15+0.08) (骨架及內(nèi)層絕緣)
+(9×0.51+8×0.08) (原邊繞組)
+(0.08×2+0.15×2) (組間絕緣1)
+(隔離層，如可能用0.05銅箔，如無，就用與高壓繞組同直徑的線繞一層代)
+(0.08×2+0.15×2) (組間絕緣2)
+(14×0.30+13×0.05)(高壓繞組)
+(0.08×2+0.15×2) (組間絕緣3)
+(1.23) (燈絲1)
+(0.08×2+0.15×2) (組間絕緣4)
+(1.23) (燈絲2)
+(0.08×2+0.15×2) (線包外間絕緣)
=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+1.23+0.46+1.23+0.46
=16.37mm
(14)檢驗“蓬松系數(shù)”
蓬松系數(shù)=鐵片窗口寬度 / 線包(壓實的)厚度
“蓬松系數(shù)”一般可以在1.2-1.3間，蓬松系數(shù)小者要注意繞的十分緊才行，蓬松系數(shù)過大說明選的鐵心規(guī)格大了，要重選重算。對于經(jīng)驗不多的初學者，不妨以1.3-1.35進行檢驗。不然可能繞完了發(fā)現(xiàn)裝不進鐵片。
檢驗：
蓬松系數(shù)=22 / 16.37 = 1.34
很合適的呀。
(15)修正方案：：
燈絲繞組可以選用0.8nn直徑漆包線2根并繞(0.80線最大外徑0.89，每層可繞54圈，6.3V繞組26×2，剛好可以繞下)。這樣導線可以分布開來不至于只有半邊，繞出來的線包就比較平整。還可以減小繞組厚度。
這時，
計算線包(壓實的)厚度：
=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+0.89+0.46+0.89+0.46
=15.69mm
蓬松系數(shù)=22 / 15.69 =1.41
這就非常之寬松了，說明選的鐵心規(guī)格大了，利用手頭現(xiàn)有鐵心當然可以。保證可以成功。
計算完畢。