一種單相智能電能表電源變壓器設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及變壓器，尤其涉及變壓器的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] EI型插片鐵心電源變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，EI型插片鐵心及其配套的線圈骨 架、夾框等均已形成系列并大量生產(chǎn)，是民用電子設(shè)備中用量最多的一種鐵心結(jié)構(gòu)形式，因 而本發(fā)明智能電能表電源變壓器亦采用EI型插片鐵心。
[0003] 王全保的《新編電子變壓器手冊(cè)》是目前變壓器設(shè)計(jì)人員普遍采用的設(shè)計(jì)依據(jù)，即 參考文獻(xiàn)：王全保。新編電子變壓器手冊(cè)。遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007. 6。其中對(duì)各種變壓 器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)描述，但在最終進(jìn)行電壓核算之前，必須先對(duì)所選規(guī)格的銅線進(jìn) 行電流承載能力核算，參考文獻(xiàn)中并未提及，也是一般技術(shù)人員容易忽視的關(guān)鍵步驟。如果 所選規(guī)格的銅線電流承載能力小于實(shí)際電流，輕則造成變壓器溫升過(guò)高，重則長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行 時(shí)可能造成變壓器燒毀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題，提供了一種基于EI型插片鐵心電源變壓器，不僅輸出電 壓、電流滿足指標(biāo)要求，而且體積小，溫升低的單相智能電能表電源變壓器設(shè)計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：包括以下步驟：
[0006] S1 :列出單相智能電能表電源變壓器的技術(shù)指標(biāo)，包括初級(jí)輸入電壓、電源頻率、 次級(jí)一空載輸出電壓、次級(jí)二空載輸出電壓、次級(jí)一負(fù)載輸出電壓、次級(jí)一負(fù)載輸出電流、 次級(jí)二負(fù)載輸出電壓、次級(jí)二負(fù)載輸出電流、平均工作環(huán)境溫度、極限工作環(huán)境溫度、線圈 允許溫升、絕緣等級(jí)和大氣壓力；
[0007] S2 :計(jì)算變壓器輸出功率容量，包括額定輸出功率和最大輸出功率，假定為小功率 電源變壓器；
[0008] S3 :計(jì)算變壓器電壓調(diào)整率，包括
[0009] 變壓器次級(jí)一的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整率、最大調(diào)整率、第二調(diào)整率、第三調(diào)整率和最小調(diào)整 率，
[0010] 變壓器次級(jí)二的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整率、最大調(diào)整率、第二調(diào)整率、第三調(diào)整率和最小調(diào)整 率；
[0011] 初步選擇變壓器的電壓調(diào)整率；
[0012] S4 :計(jì)算變壓器額定輸入功率容量；
[0013] S5 :選取變壓器的線圈占空系數(shù)Km，在S2中的小功率電源變壓器中進(jìn)行選取；
[0014] S6 :選取變壓器鐵心負(fù)載磁感應(yīng)強(qiáng)度B，在S3中選擇的電壓調(diào)整率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 選??；
[0015] S7 :計(jì)算變壓器結(jié)構(gòu)系數(shù)Az，由S3中選擇的電壓調(diào)整率，可計(jì)算出Az，從而可確定 變壓器中EI插片鐵心的型號(hào)及其參數(shù)：包括鐵心平均磁路長(zhǎng)度、鐵心有效截面積和鐵心質(zhì) 量；
[0016] S8 :計(jì)算變壓器的初、次級(jí)匝數(shù)；通過(guò)計(jì)算鐵心每伏感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所需的匝數(shù)、初級(jí) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而計(jì)算出變壓器初級(jí)匝數(shù)和變壓器次級(jí)匝數(shù)；
[0017] S9 :確定導(dǎo)線直徑；在S7中，由變壓器插片鐵心的型號(hào)及相應(yīng)的三槽線圈骨架、線 槽寬度和線槽厚度，可確定變壓器初級(jí)繞線寬度和次級(jí)繞線寬度；通過(guò)假定可繞線部分的 厚度，則計(jì)算出變壓器初、次級(jí)可繞線部分面積；
[0018] 再選取變壓器初級(jí)繞組的排繞系數(shù)和疊繞系數(shù)，變壓器次級(jí)繞組的排繞系數(shù)和疊 繞系數(shù)，計(jì)算出初級(jí)帶絕緣導(dǎo)線外徑和次級(jí)帶絕緣導(dǎo)線外徑；
[0019] 通過(guò)查國(guó)產(chǎn)圓銅漆包線線規(guī)表，確定變壓器初、次級(jí)繞組選取的導(dǎo)線規(guī)格，包括變 壓器初級(jí)線圈的銅線標(biāo)稱(chēng)直徑、絕緣外徑、導(dǎo)線每千米質(zhì)量和20°c時(shí)銅阻；
[0020] 變壓器次級(jí)線圈中線圈一的銅線標(biāo)稱(chēng)直徑、絕緣外徑、導(dǎo)線每千米質(zhì)量和20°C時(shí) 銅阻，線圈二的銅線標(biāo)稱(chēng)直徑、絕緣外徑、導(dǎo)線每千米質(zhì)量和20°C時(shí)銅阻；
[0021] S10 :計(jì)算繞組結(jié)構(gòu)；首先計(jì)算出初級(jí)繞組每層匝數(shù)和層數(shù)、次級(jí)繞組每層匝數(shù)和 層數(shù)，再計(jì)算出初、次級(jí)各繞組厚度，進(jìn)行確認(rèn)是否符合S9中尺寸要求，符合，繼續(xù)；不符 合，返回至S3 ;
[0022] 再計(jì)算骨架外周長(zhǎng)、各繞組平均匝長(zhǎng)、各繞組導(dǎo)線長(zhǎng)度、各繞組銅重、20°C時(shí)各繞 組銅阻和熱態(tài)電阻；
[0023] S11:計(jì)算初級(jí)總電流；
[0024] 首先，確定變壓器的鐵心材料，
[0025] 再依次計(jì)算初級(jí)磁化電流：根據(jù)S6中設(shè)定的負(fù)載磁感應(yīng)強(qiáng)度B，確定磁場(chǎng)強(qiáng)度，從 而計(jì)算初級(jí)磁化電流；
[0026] 計(jì)算初級(jí)鐵損電流：根據(jù)S6中設(shè)定的負(fù)載磁感應(yīng)強(qiáng)度B，確定鐵心單位重量的損 耗，從而計(jì)算變壓器初級(jí)鐵損電流；
[0027] 計(jì)算初級(jí)電流有功分量；
[0028] 計(jì)算初級(jí)總電流；
[0029] S12 :計(jì)算空載電流；
[0030] 由S3中的電壓調(diào)整率和S6中的變壓器鐵心負(fù)載磁感應(yīng)強(qiáng)度B計(jì)算空載磁感應(yīng)強(qiáng) 度仏，若電壓調(diào)整率取值高，初級(jí)銅阻大，存在空載磁感應(yīng)強(qiáng)度仏已接近飽和，可修正空載 磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0031 ] 再計(jì)算空載磁化電流和空載鐵損電流，通過(guò)空載磁化電流和空載鐵損電流計(jì)算出 空載電流；
[0032] S13 :線圈繞組承載電流核算；
[0033] 初級(jí)線圈電流承載能力核算：若大于S12中的空載電流，滿足電流承載要求，若小 于S12中的空載電流，返回至S3 ;
[0034] 次級(jí)線圈1電流承載能力核算：若大于S1中的次級(jí)一負(fù)載輸出電流，滿足電流承 載要求，若小于S1中的次級(jí)一負(fù)載輸出電流，返回至S3 ;
[0035] 次級(jí)線圈2電流承載能力核算：若大于S1中的次級(jí)二負(fù)載輸出電流，滿足電流承 載要求，若小于S1中的次級(jí)二負(fù)載輸出電流，返回至S3 ;
[0036] S14:電壓核算；
[0037] 計(jì)算初級(jí)銅阻壓降、次級(jí)一銅阻壓降、次級(jí)二銅阻壓降、次級(jí)一負(fù)載壓降、次級(jí)二 負(fù)載壓降、次級(jí)一空載壓降和次級(jí)二空載壓降；
[0038] 通過(guò)將計(jì)算后的數(shù)值與S1中的次級(jí)一空載輸出電壓、次級(jí)二空載輸出電壓、次級(jí) 一負(fù)載輸出電壓和次級(jí)二負(fù)載輸出電壓作比較，計(jì)算出相差的百分?jǐn)?shù)絕對(duì)值；
[0039] S15 :次級(jí)線圈匝數(shù)調(diào)整；
[0040] 由S14可知，需要對(duì)次級(jí)線圈一和次級(jí)線圈二的匝數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，才能使輸出 電壓滿足指標(biāo)要求。對(duì)次級(jí)線圈一和次級(jí)線圈二的減少與增加匝數(shù)的選取原則為根據(jù)各次 級(jí)的空載電壓與負(fù)載電壓誤差的平均值進(jìn)行減少與增加。
[0041] 在S1-S15步驟的基礎(chǔ)上，還包括以下步驟：
[0042] S16:變壓器各參數(shù)重新核算；根據(jù)新的次級(jí)線圈匝數(shù)，重復(fù)步驟S11?S14,得到 新的變壓器各參數(shù)；
[0043] S17 :計(jì)算電壓調(diào)整率，進(jìn)行驗(yàn)證；
[0044] S18 :計(jì)算變壓器溫升，進(jìn)行驗(yàn)證。
[0045] 本發(fā)明中的設(shè)計(jì)方法基于參考文獻(xiàn)：王全保。新編電子變壓器手冊(cè)。遼寧科學(xué)技 術(shù)出版社，2007. 6,其中步驟S1-S13增加了集合圓銅線線規(guī)表進(jìn)行所選尺寸規(guī)格銅線的電 流承載能力判斷，從而避免選線失誤。另外，初次設(shè)計(jì)的變壓器的次級(jí)線圈匝數(shù)未必滿足電 壓輸出指標(biāo)要求，必須對(duì)次級(jí)線圈的匝數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，才能使輸出電壓滿足指標(biāo)要求；步 驟S14-S15中提出了一種次級(jí)線圈匝數(shù)調(diào)整的方法，減少與增加匝數(shù)的選取原則為根據(jù)各 次級(jí)的空載電壓與負(fù)載電壓誤差的平均值進(jìn)行減少與增加。最后步驟S16-S18對(duì)變壓器的 重新核算，實(shí)現(xiàn)了智能電表電源變壓器不僅輸出電壓、電流滿足指標(biāo)要求，而且體積小，溫 升低。
【附圖說(shuō)明】
[0046] 圖1是本發(fā)明的流程圖一，
[0047] 圖2是本發(fā)明的流程圖二；
【具體實(shí)施方式】
[0048] 本發(fā)明如圖1-2所示，其中涉及的參考文獻(xiàn)為：王全保。新編電子變壓器手冊(cè)。遼 寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007. 6;包括以下步驟：
[0049] S1.單相智能電能表電源變壓器技術(shù)要求：
[0050] 用戶提出的單相智能電能表電源變壓器技術(shù)指標(biāo)要求如下：
[0051] 初級(jí)輸入電壓：220V
[0052] 電源頻率：50Hz
[0053] 次級(jí)空載輸出電壓：次級(jí)1:12 ±0. 5V
[0054]次級(jí) 2 :14. 5±0. 5V
[0055] 次級(jí)負(fù)載輸出電壓、電流：次級(jí)1 :10±0. 5V，15mA
[0056]次級(jí) 2 :12±0. 5V，100mA
[0057] 平均工作環(huán)境溫度：+40°C
[0058] 極限工作環(huán)境溫度：+70°C
[0059] 線圈允許溫升：彡45°C
[0060] 絕緣等級(jí)：E級(jí)
[0061] 大氣壓力：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101. 3KPa
[0062] S2.計(jì)算變壓器輸出功率容量
[0063]額定輸出功率：P2= U 山+U2I2= 10X 15+12X 100 = 1250mW = 1. 35 (W)
[0064]最大輸出功率：p2_= U -山+仏眶I2= 10.5X15+11.5X100 = 1407. 5mff ^ 1. 41 (W)
[0065] 因此，本發(fā)明智能電能表電源變壓器為功率小于3W的小功率電源變壓器。為降低 變壓器成本，提高變壓器輸出功率，減小變壓器體積，智能電能表電源變壓器應(yīng)按電壓調(diào)整 率設(shè)計(jì)。S3.計(jì)算變壓器電壓調(diào)整率
[0066] 變壓器次級(jí)1 :
[0067]標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整率：AA= (12_10)/12X100%= 16. 7%，
[0068]最大調(diào)整率：AUlniax= (12. 5-9. 5)/12. 5X100%= 24%，
[0069]第二調(diào)整率：AU12= (11. 5-9. 5)/ll. 5X100%= 17. 4%，
[0070] 第三調(diào)整率：AU13= (12. 5-10. 5)/12. 5X100%= 16%，
[0071]最小調(diào)整率：AUlniin= (11. 5-10. 5)/ll. 5X100%= 8. 7%。
[0072] 變壓器次級(jí)2:
[0073]標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整率：AU2= (14. 5_12)/14.