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別，工頻變壓器在過去傳統的電源中大量使用，而這些電源的穩定方式又是採用線性調節的，所以那些傳統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,沒什麼可研究的.設計時只要根據那些簡單的公式,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:你是否瞭解自己設計出的產品性能?設計合理嗎?設計優化過嗎?經濟性如何?
舉個例子吧,根據功率選鐵芯規格就是個很繁雜的問題,因為涉及的因素比較多.有些書推薦採用下面的半經驗公式去選取:
S = K·Sqrt(P) (1)
定下S後,然後進行其它的計算.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,大多數情況下存在著浪費.這種設計方法對業餘愛好者來說用不著討論(只是偶爾設計一個變壓器自己用),但對企業來說,值得討論,產品中大批量採用這種設計時,體現的是降低了經濟效益。
工頻變壓器的設計選材
從節約能源及原材料的角度，可採取以下建議：
1、減少銅的用量，有兩個方面可以實現，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，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於通電待機狀態，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於待機通電狀態造成的電力浪費以數十億元計。
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，工作最穩定，如果一個變壓器設計完後，由於為節省銅線，而採取小號的線徑和減少圈數的方法，使得鐵心窗口還有很多的空間餘量，這樣就說明鐵心的尺寸選擇的過大，造成了鐵心的浪費，由於鐵心的規格大，繞線的平均周長也大，同樣會造成銅線的用量增加。根據現在的價格，鐵心的成本要高於銅線的成本。
所以在設計時，在保證性能滿足客戶的要求的情況下，應儘量選擇小號的鐵心，能用41的，就絕不用48的。關於空載電流，從節省待機的損耗上考慮，還是儘量低的好。
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，但實際運用時顯得複雜，不甚方便。本文介紹實用的變壓器計算的經驗公式。
1.鐵芯的選擇
根據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，它等於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以下損耗約20～30%，50W以下損耗約15～20%，100w以下損耗約10～15%，100W以上損耗約10%以下，上述損耗參數是關於普通插片式變壓器的。如果按照R型變壓器、c型變壓器、環形變壓器的順序，損耗參數依次減小。
根據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&TImes;b(cm2).如附圖所示。變壓器視在功率與s的關係用下述經驗公式選用：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，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關係為：
P1 K值
10VA以下 2～2.2
50VA以下 2～1.5
lOOVA以下 1.5～1.4
2.每伏匝數計算
選定鐵芯s以後。再確定每伏匝數，以使繞制的變壓器有臺理的激磁電流。常用的經驗公式為：N=(40～55)/S，N為每伏匝數。
根據不同質量的硅鋼片選取係數40～55。比較高級的高硅鋼，用眼觀察表面有鱗片結晶.且極脆，只彎折1～2次即斷裂，斷處參差不齊，係數取為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，係數取50以上。
求出每伏匝數後乘以220V即為初級匝數，乘以次級要求電壓數即為次級各繞組匝數。因為導線有電阻，電流流過時會有電壓降，求出的次級匝數應增加5～lO%(根據負載電流選擇，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
由於現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，由於每伏匝數減少，導線間電壓差較高，最好採取每層墊絕緣紙(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，忌用不乾膠膠帶。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.在多層繞製法中初次級之間應墊入靜電屏蔽層。
繞好後.插硅鋼片也需注意、必須插緊，以避免產生電磁噪音。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。最後的4～5片可從中間插入，以免損壞線包。然後進行烘乾、浸漆。對50W以下的變壓器可採取內熱法烘乾。方法是：將變壓器所有次級繞組短路，與60～100W/220V燈泡串聯接入市電，使其自動升溫。燈泡越大溫度越高，但在密閉狀態下，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別
1、磁性材料的差別:
工頻變壓器採用硅鋼片作為磁芯材料的;高頻變壓器是採用鐵氧體磁芯材料。
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，應用範圍不同頻率也不一樣。
3、應用方面：
工頻變壓器一般多用於將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(如豆漿機、抽油煙機、音響等等，應用範圍比較廣泛;高頻變壓器用途就廣泛了(如;手機充電器，電子鎮流器，開關電源，彩電電源，電腦電源，液晶驅動及電源等等許多場合都有使用)。
工頻變壓器的設計計算
理論計算完成後還需要實際測試效果進行驗證，因為鐵心參數，製作工藝可能和我們假設的不一樣，所以設計完成後基本都需要再根據實測結果進行調整。
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。
根據要求鐵芯型號採用“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&TImes;高壓交流電壓&TImes;電流+燈絲1電壓&TImes;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)
並規整為產品規格里有的線徑(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：
根據他的要求鐵芯型號採用“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
計算式：每伏匝數n=(45000)/(B×S1)
其中
B=10000-12000(中等質量硅鋼片，如原先上海無線電27廠產品鐵心)
或15000(Z11等高質量硅硅片)
或8000(電動機用硅鋼片)。
S1：鐵心有效截面積，等於(舌寬×疊厚)/1.1
假定是中等質量鐵心，並且保守點，取B=10000
則：
n=450000 / B×S1
= 450000 /(10000×11.454)
=3.93 (T / V )
(8)計算每組匝數
原邊圈數：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(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)
(分母是排線係數K×最大外徑DMax，對於初學者，小於0.3的線K=1.20，0.3-0.8的線K=1.15，大於0.8的線K=1.10。。如您已經有較好的繞線經驗，K可以=105～102)
代入上述數據得到：
原邊每層可繞：94圈
高壓每層可繞：154圈
燈絲每層可繞：39圈(最後有討論)。
(也可以直接查“每釐米可繞圈數表”得到)
(11)各繞組的層數
前面已經算出各組圈數則，則各繞組的層數：
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“蓬鬆係數”
蓬鬆係數=鐵片窗口寬度 / 線包(壓實的)厚度
“蓬鬆係數”一般可以在1.2-1.3間，蓬鬆係數小者要注意繞的十分緊才行，蓬鬆係數過大說明選的鐵心規格大了，要重選重算。對於經驗不多的初學者，不妨以1.3-1.35進行檢驗。不然可能繞完了發現裝不進鐵片。
檢驗：
蓬鬆係數=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根並繞(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)。這樣導線可以分佈開來不至於只有半邊，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
蓬鬆係數=22 / 15.69 =1.41
這就非常之寬鬆了，說明選的鐵心規格大了，利用手頭現有鐵心當然可以。保證可以成功。
閱讀更多 綠色比心情 的文章
