变压器的设计程序课件

变压器的设计变压器的设计变压器的设计变压器的设计程序程序程序程序电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况变压器的设计程序电力电子技术的基本概况1变压器的设计程序变压器的设计程序 器件的磁设计器件的磁设计电力电子装置中，一般采用自然散热方式。变压器的设计一般均采用单向设计法(必须知道磁芯的各种特性及数据)。尝试性设计方法和电感的设计类似(进行多次尝试才能找到合适的磁芯尺寸)。变压器的设计程序 器件的磁设计电力电子装置中，一般采用自然散2 2 器件的磁设计器件的磁设计原边和副边的导线型号一致，可以假设 kCu=kCu.pri=kCu.sec变压器发热涡流设计过程中必须考虑 器件的磁设计原边和副边的导线型号一致，可以假设 3 3 器件的磁设计器件的磁设计1.1 1.1 变压器的设计基础：额定功率变压器的设计基础：额定功率 变压器的额定功率为：S=UpriIpri Upri:变压器原边额定电压（有效值）Ipri :变压器原边额定电流（有效值）上式说明变压器原边电压的设计与工作频率、磁通密度、磁芯窗口面积、以及所饶的匝数等有关。器件的磁设计1.1 变压器的设计基础：额定功率 变压器的4 4 器件的磁设计器件的磁设计如果工作频率较低，导线的趋肤效应可以忽略；频率较高时，如使用绞线，趋肤效应可以忽略。上式说明原边电流、电流密度以及导线的横截面积之间的关系。器件的磁设计如果工作频率较低，导线的趋肤效应可以忽略；上式5 5 器件的磁设计器件的磁设计综合可得功率表达式：器件的磁设计综合可得功率表达式：6 6 器件的磁设计器件的磁设计将 代入可得：器件的磁设计将 代入可得：7 7 器件的磁设计器件的磁设计如必须考虑涡流损耗，可从图中查到交流电阻的值。因此下两式 1020110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101变为：器件的磁设计如必须考虑涡流损耗，可从图中查到交流电阻的值。8 8 器件的磁设计器件的磁设计P公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 是变压器设计的开始，因Upri、Ipri是根据变压器的应用要求而定，它与磁心的尺寸、导线的横截面积、磁通密度以及电流密度都有关。P公式 S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 在变压器设计过程中的重要性和储能公式 LImI=kCuJBmAwAcore 在电感设计中的重要性一样。器件的磁设计公式 S=2.22kCufAcoreAwJrm9 9 器件的磁设计器件的磁设计1.2 1.2 变压器单向设计例程变压器单向设计例程 总结加在变压器上的各种条件计算功率等级 S=UpriIpri选择磁心材质,型号及尺寸求单位体积功率损耗密度 Psp计算最大功率等级Smax结束计算磁芯的磁通密度及Npri和Nsec 确定绕组导线尺寸Acu,pri和Acu,sec估算漏感调整最大功率等级Smax 器件的磁设计1.2 变压器单向设计例程 总结加在变压器上的1010 器件的磁设计器件的磁设计第一步：总结加在变压器上的各种条件a.原边的额定电压Upri；b.原边的额定电流Ipri；c.变压器的匝数比n=Npri/Nsec；d.变压器的工作频率f；e.变压器的最高温度Ts及最高环境温度Ta。电路中变压器的最高温度取决于它周围元件对温度的敏感程度，以及变压器本身的材质，还有它工作的环境温度。一般假设变压器的最高温度Ta=100 器件的磁设计第一步：总结加在变压器上的各种条件原边的额定电1111 器件的磁设计器件的磁设计第二步：计算功率等级S 应用公式 S=UpriIpri 计算变压器的功率等级。式中，Upri为变压器的原边电压有效值 Ipri为变压器的原边电流有效值第三步：选择磁芯的材质，型号及尺寸J选择变压器磁芯的材质和型号的方法和10.5.3节中的电感磁芯的选择方法相同。器件的磁设计第二步：计算功率等级S 应用公式 S=Upri1212 器件的磁设计器件的磁设计024 6 8246 82100100051015202530P F频率kHzA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF使用铁氧体磁芯时，它们的特性曲线如图所示。J选择变压器的磁芯和第二步计算出的S值相关。J选择导线型号。器件的磁设计024682468210010005101521313 器件的磁设计器件的磁设计第四步：计算Rqsa和PspJ假设变压器的功率损耗是均匀的，且铜损和铁损相等，即 。Psp的值可以从磁芯的数据表中查到。J变压器的热阻可通过10.4.4节中的公式计算，也可以查表10.4得到。热阻会随着环境温度和变压器的温度而变化。J根据 计算。器件的磁设计第四步：计算Rqsa和Psp假设变压器的功率损1414 器件的磁设计器件的磁设计第五步：确定磁通密度及原边和副边的匝数 6磁芯的饱和磁通密度Bm可以从表10.4中查到；6根据允许的最大功率损耗密度Psp，并结合图中的数据进行计算；mTmWmm-3mWcm-33F3103102110磁功率损耗Pm1000C101001000102Gs400 10025F(KHz)250C磁通密度最大值,Bas 器件的磁设计第五步：确定磁通密度及原边和副边的匝数 磁芯的1515 器件的磁设计器件的磁设计6原边的匝数Npri可通过lw9a求出。6副边的匝数Nsec通过匝数比n=Npri/Nsec得到。6下式中的Bms第五步已经得到。6应用以下公式计算：器件的磁设计原边的匝数Npri可通过lw9a求出。应用以1616 器件的磁设计器件的磁设计磁芯序列 材质 8a3F3 2.1cm4 9.8/W 237mW/cm3 170mTA/mm2 RspTs=100 JTs=100及Psp BmTs=100及100kHz AP=AcoreAw RqDT=60 2.22kCuf JBmAwAcore(f=100kHz)U-A 磁芯序列8右上角的a表示表10.1中的特征尺寸且a=1cm。变压器设计过程中需要用到的有关磁芯的数据表 器件的磁设计磁芯序列 材质 8a3F3 2.1cm4 9.1717 器件的磁设计器件的磁设计第六步a:确定原边和副边导线的尺寸：忽略涡流损耗 6导线的型号，是圆形导线还是矩形导线，或是绞线，在第三步中已选好。因此铜线填充系数已知。在第五步中已经求出原边和副边绕组的匝数，因而可以应用以下公式分别求出原边和副边绕组导线的横截面积ACu,pri和ACu,sec。和 器件的磁设计第六步a:确定原边和副边导线的尺寸：忽略涡1818 器件的磁设计器件的磁设计6假设工作频率低到可以忽略涡流损耗，并且使用绞线,电路密度Jrms通过表10.4中的公式估算或应用以下公式计算:再应用下式求出原边和副边绕组导线的横截面积Acu,pri和Acu,sec:器件的磁设计假设工作频率低到可以忽略涡流损耗，并且使用绞线1919 器件的磁设计器件的磁设计第六步b:确定原边和副边导线的尺寸：考虑涡流损耗设计过程中，一般在原边和副边绕组中使用了圆形导线和矩形导线时才考虑涡流损耗。为了减少涡流损耗，采用绞线，绞线中的单根导线的直径比趋肤深度小很多。S采用绞线，频率很低时，涡流损耗很小，这种设计可取。S在高频时，效果并不理想。选择圆形导线或矩形导线。因为圆形导线的铜线填充系数kCu=0.55，矩形导线或铜箔的填充系数kCu=0.6。器件的磁设计第六步b:确定原边和副边导线的尺寸：考虑涡2020 器件的磁设计器件的磁设计和原边和副边的匝数在第五步中已经求出，导线的横截面积也可以根据下式求出。将 代入到表10.4中电流密度J的计算公式就可以求出电流密度的值，再将电流密度J的值代入到下式中就可求出理想的导线横截面积。原边优化设计 器件的磁设计和原边和副边的匝数在第五步中已经求出，导线的横2121 器件的磁设计器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101为了确定导线的理想尺寸，导线的横截面积必须满足图中的正态分布曲线。器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.2222 器件的磁设计器件的磁设计曲线表明有很多的导线尺寸满足的条件，只要变压器绕组的层数不同(分段不一样)，则有很多不同的导线尺寸会满足要求。因此需要重复性的尝试，最后在绕组的层数(段数)和导线的尺寸之间找到一个最佳平衡。器件的磁设计曲线表明有很多的导线尺寸满足2323 器件的磁设计器件的磁设计重复性的尝试过程 假设每层的匝数只有一圈，且绕组仅仅分成两段，原边绕组匝数为Npri，副边绕组匝数为Nsec。那么原边导线的理想厚度h为:或 式中,Fl为铜层系数；hw为Bobbin绕线槽的宽度。矩形导线或铜箔的Fl典型值为0.9。器件的磁设计重复性的尝试过程 假设每层的匝数只有一圈，且绕2424 器件的磁设计器件的磁设计应用式 计算正态分布参数值j。通过右图确定原边绕组的最佳层数Npri和j。1020110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁设计应用式 计算正态分2525 器件的磁设计器件的磁设计M如果这个最佳值j和通过式 求出的结果相同或者大于10-20%，则原来的设计可接受；M如果这个最佳值明显小于式 计算出的结果，那么原边绕组必须重新分段，使每段的层数变得更加少。器件的磁设计如果这个最佳值j和通过式 2626 器件的磁设计器件的磁设计M第二次尝试，进行三明治绕绕法，将原边绕组分为两段，将副边绕组夹在中间。M副边绕组分成两段，副边绕组的一半对应着原边绕组的一半，每一段的层数为原来的1/2。p2ps2mmf0 x 器件的磁设计第二次尝试，进行三明治绕绕法，将原边绕组分为两2727 器件的磁设计器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101通过右图得到的最佳值j来校验由公式 计算而得的最佳值j。器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.2828 器件的磁设计器件的磁设计10 20110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101L如果从图中得到的最佳值显著大于从计算的最佳值，则每一层须增加到两匝或者更多的匝数。器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.2929 器件的磁设计器件的磁设计10 20110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101L如果每层绕两圈，则每段层数变为原来的1/2。重复性尝试工作又开始进行。直到从图中得到的最佳值等于或差不多等于从公式 计算而得的最佳值为止。器件的磁设计1020110100直流损耗总损耗最小值=1.3030 器件的磁设计器件的磁设计M根据变比n=Npri/Nsec，对第五步中得到的原边和副边的匝数进行调整，调整后的数值须对原边的设计进行适当的调整，使原边和副边相匹配。M总匝数为整数，每一层的匝数也为整数，限制了绕组重组的可能性。M存在涡流的情况下，使用单根的固体导线，应用优化设计方法可行，单根的导线具有更大的铜线填充系数。副边优化设计 器件的磁设计根据变比n=Npri/Nsec，对第五步中3131 器件的磁设计器件的磁设计第七步：漏感的估算漏感的计算公式为：或者 器件的磁设计第七步：漏感的估算漏感的计算公式为：或者3232 器件的磁设计器件的磁设计第八步：评估所选磁芯的最大功率等级SmaxA所选磁芯的最大功率等级为:Smax=2.22kCufAcoreAwJBm A变压器的功率等级S=UpriIpri应比Smax小；A如果SSmax，则所选的磁芯尺寸太小。A如果SSmax显著，但仍小于所拥有的较大磁芯尺寸，可以再增加Smax，并对其进行重新设计。$通过增加绕组的功率密度Pw,sp对Smax进行调整，如果变压器的温度超过太多，则使用尺寸更大的磁芯进行重新设计。器件的磁设计第九步：对Smax的调整如果电压太高，可以通过3434 器件的磁设计器件的磁设计1.3 1.3 举例说明变压器设计举例说明变压器设计第一步：总结加在变压器上的各种条件原边正弦电流有效值:Ipri=4A 原边正弦电压有效值:Upri=300V 频率:f=100KHz变比:Npri/Nsec=n=4 变压器最高温度:Ts=100环境的最高温度:Ta=40 器件的磁设计1.3 举例说明变压器设计第一步：总结加在变压3535 器件的磁设计器件的磁设计第二步：计算变压器功率等级S S=UpriIpri=300V4A=1200VA第三步：选择磁芯的材质，型号及尺寸 024 6 8246 82100100051015202530P F频率kHzA:3C85 B:3F3 C:3C10 D:3B8E:3F4 F:N47ABCDEF因频率较高，所以采用铁氧体磁芯，在图中可以查到铁氧体磁芯随频率变化曲线图。器件的磁设计第二步：计算变压器功率等级S 第三步：选择磁芯3636 器件的磁设计器件的磁设计当频率为100KHz时，3F3 材质的铁氧体磁芯的性能最为理想，磁芯的型号选用EE型。从磁芯数据表序列为8，特征尺寸a=1cm的磁芯的各种数据：器件的磁设计当频率为100KHz时，3F3 材质的铁氧体磁3737 器件的磁设计器件的磁设计如果 ，KCu0.32，上式中的结果同样比S=1200VA大。将KCu=0.21和 代入上式中，所得的值应该比S=1200VA大；器件的磁设计如果 3838 器件的磁设计器件的磁设计第四步：计算Rqsa和Psp第五步：确定磁芯磁通密度及原边和副边的匝数 从表10.4中可以查到最大磁通密度Bm=170mT。将Bm=170mT 代入下式从表10.4中可以查到:Rqsa=9.8/W Psp=237mW/cm3 器件的磁设计第四步：计算Rqsa和Psp第五步：确定磁芯磁3939 器件的磁设计器件的磁设计Acore=1.5cm3，可得到原边绕组匝数：又，w=2p100kHz,因为匝数必须是整数，且必须能够被4整除，所以原边绕组取24圈。则副边绕组的匝数为：器件的磁设计Acore=1.5cm3，可得到原边绕4040 器件的磁设计器件的磁设计第六步a:确定原边和副边导线的尺寸：铜箔利用磁芯的数据表10.4，并假设铜箔的KCu=0.6，可以求出允许的电流密度：原边导线的横截面积为：副边导线的横截面积为：器件的磁设计第六步a:确定原边和副边导线的尺寸：铜箔利4141 器件的磁设计器件的磁设计假设矩形导线的铜层系数为Fl=0.9，并且一层只有一圈。铜导体在频率为100KHz，温度为100时的趋肤深度d=0.244mm,可得原边导线的厚度h为:ACu,pri=1.15mm2=h0.920mm 或 h=0.064mm 厚度的标准正态分布值为:器件的磁设计假设矩形导线的铜层系数为Fl=0.9，并且一层4242 器件的磁设计器件的磁设计从图中可以查到原边绕组仅为一段，且层数为24层；那么一层只能绕一圈，由此得到的优化厚度标准正态值为 10 20110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁设计从图中可以查到原边绕组仅为一段，且层数为24层4343 器件的磁设计器件的磁设计副边导线的厚度为：ACu,sec=4.6mm2=h0.920mm 或 h=0.256mm 副边导线厚度的标准正态值为：器件的磁设计副边导线的厚度为：4444 器件的磁设计器件的磁设计从图中可以查到副边绕组每段必须分为两层，这意味着副边绕组必须包含三段，每段两层，每层绕一圈。10 20110100直流损耗总损耗最小值=1.5直流损耗0.1m=9m=8m=7m=6m=5m=4m=3m=2m=1m=101 器件的磁设计从图中可以查到副边绕组每段必须分为两层，这意味4545 器件的磁设计器件的磁设计为了与副边相匹配，原边须分为四段。原边中间的两段，每一段包含八层；外面的两段，每一段包含四层；一层只绕一圈。每段八层的导线优化厚度的标准正态值为：P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁设计为了与副边相匹配，原边须分为四段。PmmfxP4646 器件的磁设计器件的磁设计将原边绕组外面的两段变为每段一层，每层四圈；原边绕组里面的两段，变为每段两层，每层四圈。则再次优化后原边绕组导线的厚度为：ACu,pri=1.15mm2=h0.95mm 或 h=0.256mm。标准正态值为1.01。原边里面的两段已经完全得到优化原边绕组外面两段Rac/Rdc值将增加为大约1.7。是所需要的值的两倍，即每一层可以再增加一圈。器件的磁设计将原边绕组外面的两段变为每段一层，每层四圈；原4747 器件的磁设计器件的磁设计变压器绕组设计以及它相应的的mmf图如图所示。原边绕组分为四段，中间的两段，每段有两层；外面的两段，每段只有一层；每层绕四圈。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁设计变压器绕组设计以及它相应的的mmf图如图所示。4848 器件的磁设计器件的磁设计原边绕组导线的厚度为0.26mm,宽度为5mm。副边绕组分为三段，每段两层，一层绕一圈；副边绕组导线的宽度为20mm，厚度为0.26mm。P6mmfxP6P3P3S3S3S3 器件的磁设计原边绕组导线的厚度为0.26mm,宽度为5mm4949 器件的磁设计器件的磁设计第六步b:确定原边和副边导线的尺寸：绞线根据磁芯的数据表，和绞线的填充系数KCu=0.3，可求出绞线的最大电流密度为：原边导线的横截面积为:器件的磁设计第六步b:确定原边和副边导线的尺寸：绞线根5050 器件的磁设计器件的磁设计副边导线的横截面积为：原边绞线的直径近似等于:副边的导线的直径约等于3.37mm。L直径如此之大的绞线，市面上很难买到。L所选磁芯配套的Bobbin绕线窗绕不下这么粗的绞线；可通过选用尺寸较大的磁芯解决。器件的磁设计副边导线的横截面积为：原边绞线的直径近似等于5151 器件的磁设计器件的磁设计第七步：漏感的估算根据图中所示绕线几何分段，通过下式计算漏感:P6mmfxP6P3P3S3S3S3所有尺寸的单位采用cm，m0=4p10-9H/cm，则漏感为：器件的磁设计第七步：漏感的估算根据图中所示绕线几何分段，通5252 器件的磁设计器件的磁设计如使用绞线，那么绕组分段如图所示，只有一个分界面，将P=1代入到下式可得漏感 Leak=8.1m HNpriIpri=NsecIsecxxbw原边副边mmf涡流损耗密度00bw 器件的磁设计如使用绞线，那么绕组分段如图所示，只有一个分界5353 器件的磁设计器件的磁设计第八步：评估所选磁芯的最大功率等级对变压器所选磁芯的最大功率等级进行评估，使用的导线为矩形导线，且绕组的结构设计已经得到优化，所以，根据公式S=2.22kCufAcoreAwJrmsBm 和表10.4，可以得到:器件的磁设计第八步：评估所选磁芯的最大功率等级对变压器所选5454 器件的磁设计器件的磁设计如果使用绞线，则可以通过以下公式求出Smax，Smax=2.22kCufAcoreAwJBm此时，kCu=0.3，Smax=1424 VA。第九步：对Smax的调整 要求所设计的变压器的功率等级为1200 V.A，比所选磁芯的Smax小一些。原则上，还可以对绕组的匝数进行适当的减少，或者对导线的横截面积进行适当的缩小，以减少导线的成本和重量。器件的磁设计如果使用绞线，则可以通过以下公式求出Smax 5555谢谢观看！谢谢观看！谢谢观看！谢谢观看！电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况电力电子技术的基本概况谢谢观看！电力电子技术的基本概况56