变压器铁芯工作特性的简单分析

潇雨 · 发表于 2004-5-31 01:38:00

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变压器铁芯工作特性的简单分析
　　潜水许久，看了坛子里许多大侠有关变压器的贴子，启发良多，但对于变压器铁芯都没有进行深入的分析，在设计变压器时，都只简单地“铁芯磁通密度取……”，或仅根据铁芯的外观来粗略地确定其质量好坏。这些方法是建立在经验的基础上带有很大的主观性。对于铁芯的质量，本人提出一个实验测量的粗浅方法与大家交流，本方法不牵涉到变压器具体的绕制问题。
　　首先在待测的铁芯上用塑料软线绕50-100匝（匝数和导线的粗细要求不严，铁芯大，可以少绕一点，本人实验中用的是喇叭线）然后给铁芯加一低压交流电，电压从0开始逐步上升同时测量通过线圈的电流，并将电流与电压值一一记录下来，作出电压、电流图线（因电压V与磁感应强度B成正比，电流I与磁场强度H成正比，故这个曲线实际上就相当于B-H曲线）。绘制V-A曲线很方便，下图是用Excel制作的散点图，或直接画在纸上也一样。
　　从这个曲线上你可以看出这个铁芯的线性工作区域和饱和区域，由此就可以确定铁芯的工作点了。一般为充分发挥铁芯性能，电源变压器铁芯的工作磁密通常取在线性区域偏上方，若作为音频变压器为减小失真就应让铁芯工作在线性区域了。确定了铁芯的工作点就可以算出这个变压器初级的匝数并推算出在额定电压（比如220伏）下的空载电流以及在电源电压升高到如240伏时的空载电流了。实验中还可以知道铁芯在所取工作点时的发热情况（即铁损，通电一定时间，等铁芯温度不变后，测出铁芯的温升即可），铁芯叫声如何一听便知，通过这个实验铁芯的性能便一览无余。
　　实验器材十分简单：一个小功率调压器、一个输出电压30-40伏、电流1A的变压器、一个交流电流表和一个交流电压表，这些设备一般爱好者都会有。
　　下面给出一个例子：这个例子铁芯绕线68匝，从图中可看出当电流大于125-150mA时曲线开始拐弯进入饱和区域，作为电源变压器，铁芯工作点可取在175mA，此时电压为25.3伏，因此若电源电压为220伏，则初级匝数为591匝，空载电流为20.13mA，当电源电压升到240伏时，这个变压器空载电流将变为30mA左右。根据这个铁芯的大小，可推算出在这个工作点的磁通密度约为12400高斯。如工作点取在250mA，对应电压为28.5V，若电源电压取220V，则初级匝数为525匝，空载电流为32.4mA（好象也不算大），工作磁密约为14000Gs，但当电源电压上升到240V时，这个变压器的空载电流将达……这个电流已远远超出本次实验测试的范围，估计将会超出100mA了，变压器的性能……，此时铁芯基本处于饱和状态了。另外从实验中知道当铁芯工作于线性区域，其发热很轻微，当工作点接近饱和区时，其发热急剧上升（这个就没有测量具体温升）、叫声也急剧变大，由此可看出正确选取铁芯工作点的重要性！通过上述例子可看出铁芯的工作点决定了变压器的空载电流，变压器空载电流不宜过大。本人测过几个不同的铁芯，发现其V-A特性曲线是很不相同的，差距十分巨大，因此变压器的铁芯是一个很有“个性”的东西，就是同一批次铁芯也往往会有很大的差异，不象铜线，质量良好、规格符合要求性能相差就不大，可以说铁芯就是变压器的“灵魂”，它在很大程度上决定了变压器的性能！
　　至于变压器初级线径取多少，要根据铁芯中心孔或窗口面积的大小以及线圈匝数来推算，这里不说了。确定了线径，那么这个变压器的容量也就确定了。说实在的同一个变压器的额定容量并没有一个确定的值，你自己定吧！当然这里给出的数据与实际制成的变压器之间会有一定的差距，这十分正常。上述方法原则上对E形、C形及R形变压器都适用，希望这个方法对广大爱好者能有所启发，加深对变压器的理解、减少变压器制作中的盲性有所帮助。
本文所述方法实际是实验与理论结合的方法，由公式求出的结果与实际值会有一定差距，实际的变压器因线圈匝数多，其分布电容和漏感等因数不容忽视，同个铁芯、相同的匝数而不同的绕法，其空载电流也会不同，这个问题坛子中郑兄的贴子已说得很清楚了。有坛友要求发个公式，没有问题，下面给出一个根据本人所测的一个铁芯得到的数据做成的一个Excel文件，在这个文件中I和U值为本人实验中测出的电流、电压值，实验中可将I和U改为铁芯实测数值，测试匝数也改为实际匝数，K为铁芯的填充系数，按照论坛中耿兄给出的经验值：整带紧密卷成的铁芯取0.98，一般有断头的铁芯取0.95-0.96可根据实际情况取值，而B(Gs)则是由变压器公式反过去推算得到的铁芯工作磁感应强度值，空载电流、导线总长及总匝数均为理论值，供参考。

　　通过对铁芯的分析，我们可以知道确定铁芯的工作点，实际上也就是确定铁芯合适的工作磁感应强度值（即磁通密度），若这个值取太小，则铁芯的性能不能充分发挥，制成的变压器体积大、线圈匝数多用铜量大，反之B值取得太高，则变压器铁损大、效率低，过压能力差，漏磁干扰大。实际上不同容量、不同铁芯的变压器其空载电流的最佳值都是不同的，也不是越小越好，无法预测，只能通过实测来确定。现在许多变压器空载电流都偏大，这也是厂家降低成本的手段之一。

江南春 · 发表于 2004-5-31 20:00:00

不错！

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