高频变压器匝数计算设计的计算步骤

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高频变压器设计
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主要参数的计算本例中的变换器采用单端反激式工作方式,单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用非常广泛,且多路输出较方便。单端反激电源的工作模式有两种:电流连续模式和电流断续模式。前者适用于较小功率,副边二极管存在没有反向恢复的问题,但MOS管的峰值电流相对较大;后者MOS管的峰值电流相对较小,但存在副边二极管的反向恢复问题,需要给二极管加吸收电路。这两种工作模式可根据实际需求来选择,本文采...
相关信息主要参数的计算本例中的变换器采用单端反激式工作方式,单端反激变换器在小功率开关电源设计中应用非常广泛,且多路输出较方便。单端反激电源的工作模式有两种:电流连续模式和电流断续模式。前者适用于较小功率,副边二极管存在没有反向恢复的问题,但MOS管的峰值电流相对较大;后者MOS管的峰值电流相对较小,但存在副边二极管的反向恢复问题,需要给二极管加吸收电路。这两种工作模式可根据实际需求来选择,本文采用了后者。设计变压器时大多需要考虑下面问题:变换器频率f(H2);初级电压U 1(V),次级电压U 2(V);次级电流i 2(A);绕组线路参数n 1、,n 2;温升τ(℃);绕组相对电压降u;环境温度τHJ(℃);绝缘材料密度γz(g/cm3)1)根据变压器的输出功率选取铁芯,所选取的铁芯的户,值应等于或大于给定值。2)绕组每伏匝数
(1)S T是铁芯的截面积;k T是窗口的填充系数;3)初级绕组电势E 1=U 1(1-)
(2)4)初级绕组匝数W 1=W 0 E l
(3)5)次级绕组电势E 2i=U 2i (1+)
(4)6)次级绕组匝数W 2i=W 0 E 2i
(5)7)初级绕组电流
(6)8)次级绕组电流
(7)其中,n 1、n 2:分别是初级绕组和次级绕组的每层匝数。9)初级绕组线径
(8)10)次级绕组线径
(9)其中,j是电流密度。详细的变压器设计方法与计算相当复杂,本文参照经验公式,依据下面的步骤设计了本例转换器中的高频变压器。3.1 确定变压器的变比根据输出电压U0的关系式
(10)得变比为
(11)式中U D为整流器输出的直流电压。本例中U D=24V,f为100kHz,t ON取0.5;n=2。3.2 计算初级线圈中的电流已知输出直流电压U0=±12V、5V,负载电流均为I 0=lA,则输出功率P0=P1+P2+P3=29W开关电源的效率η一般在60~90%之间,本例取η=0.65,则输入功率为初级的平均电流为假定初级线圈的初始电流为零,那么,在开关管的导通期tON里,初级线圈中的电流心便从零开始线性增长到峰值I 1P3.3 计算初级绕组圈数N1初级绕组的最小电感L1为根据输出功率P的大小,选用适当的磁芯,其形状用环形、EI形或罐形均可,本例采用EI28,该类型的铁芯在f=50kHz时,功率可达到60W,在f=100kHz时,输出功率可达到90W。式中Ilp—初级线圈峰值电流,A;L 1—初级电感,H;S—磁芯截面积,mm2;B m—磁芯最大磁通密度,T。3.4 计算次级绕组圈数N2即±12V分别绕5匝,5V绕3匝。3.5 反馈绕组N3的估算反馈绕组匝数的确定,要求既能保证开关元件的饱和导通又不至于造成过大损耗。根据UC3842的要求,反馈绕组的输出电压应在13V左右。因此,3.6 导线线径的选取根据输入输出的估算,初线线圈的平均电流值应该允许达到2A。1)初级绕组初级绕组的线径可选d=0.80mm,其截面积为0.5027mm2的圆铜线。2)次级绕组次级绕组的线径可根据各组输出电流的大小,利用原级相同线径采用多股并绕的办法解决。为了方便线圈绕制,也可选用线径较粗的导线。由于工作频率较高,应考虑集肤效应的影响。3.7 线圈绕制与绝缘绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起,这样可以减小变压器漏感,因为漏感过大,将会造成较大的尖峰脉冲,从而击穿开关管。因此,在绕制高频变压器线圈时,应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。具体可采用以下方法:(1)双线并绕法将初、次级线圈的漆包线合起来并绕,即所谓双线并绕。这样初、次级线间距离最小,可使漏感减小到最小值。但这种绕法不好绕制,同时两线间的耐压值较低。(2)逐层间绕法为克服并绕法耐压低、绕制困难的缺点,用初、次级分层间绕法,即1、3、5行奇数层绕初级绕组,2、4、6等偶数层绕次级绕组。这种绕法仍可保持初、次级间的耦合,又可在初、次级间垫绝缘纸,以提高绝缘程度。(3)夹层式绕法把次级绕组绕在初级绕组的中间,初级分两次绕。这种绕法只在初级绕组中多一个接头,工艺简单,便于批量生产。本例中,为减小分布参数的影响,初级采用双线并绕连接的结构,次级采用分段绕制,串联相接的方式,即所谓堆叠绕法。降低绕组间的电压差,提高变压器的可靠性。在变压器的绝缘方面,线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸,提高初、次级之间的绝缘强度和抗电晕能力,本例中,因为不涉及高压,绝缘问题不必特殊考虑。4 结束语绕制脉冲变压器是制作开关电源的重要工作,也是设计与制作过程中消耗大量时间和主要精力的工作。变压器做得好,整个设计与制作工作就完成了70%以上。做得不好,可能就会出现停振、啸叫或输出电压不稳、负载能力不高等现象。在变压器的温升<35℃,绕制良好的脉冲变压器的工作效率可达到90%以上,且波形质量优异,电性能参数稳定。在100kHz的使用条件下,脉冲变压器的体积可以大大减小。绕制变压器时,要尽最大的努力保证以下几点:(1)即使输入电压最大,主开关器件导通时间最长,也不至于使变压器的磁芯饱和;(2)初级线圈与次级线圈的耦合要好,漏电感要小;(3)高频开关变压器会因集肤效应导致电线的电阻值增大,因而要减小电流密度。通常,工作时的最大磁通密度取决于次级线圈。
(12)(4)一般来说,采用铁氧体磁芯E128时,要把B m控制在3kGs以下。
  工频变压器是用铁芯,就是用硅钢片一片片叠成,线圈匝数较多;高频变压器用空芯或用铁氧体做磁芯,线圈匝数较少。
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型号 A B C D E FEC55/58/24 55.9±1.0 43.5min 20.2±0.3 24.3±0.3 29.7±0.4 21.0±0.3
变压器的功率取决于铁芯材料和铁芯截面大小。一般铁芯磁通量在800~1500高斯。现在的变压器一般铁芯磁通量在1200高斯以上,高的磁通量可以使变压器体积减小。你...
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高频变压器设计计算公式
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摘要:   高频变压器的线路图如图1所示。
图1 高频变压器的线路图   高频变压器的制作流程如图2所示。
图2 高频变压器的制作流程   高频变压器的制作大致包括以下十个过程,对每个过程的流程、工艺及注意事项作详细的分析。   1. ...
  高频变压器的线路图如图1所示。
图1 高频变压器的线路图
  高频变压器的制作流程如图2所示。
图2 高频变压器的制作流程
  高频变压器的制作大致包括以下十个过程,对每个过程的流程、工艺及注意事项作详细的分析。
  1.绕线
  (1)材料确认
  1)变压器骨架(BOBBIN)规格的确认。
  2)不用的引脚剪去时,应在未绕线前先剪掉,以防绕完线后再剪除时会刮伤线或剪错脚,而且可以避免绕线时缠错脚位。
  3)确认骨架完整,不得有破损和裂缝。
  4)将骨架正确插入治具,一般特殊标记为引脚1(PIN1),如果图面无注明,则引脚1朝机器。
  5)须包醋酸布的先依工程图要求包好,紧靠骨架的两侧,再在指定的引脚上先缠线(或先钩线)后开始绕线,原则上绕线应在指定的范围内绕线。
  (2)绕线方式
  1)绕线方式
  根据变压器要求不同,绕线的方式大致可分为以下几种:
  ①一层密绕:布线只占一层,紧密的线与线间没有空隙,整齐的绕线如图3a所示。
  ②均等绕:在绕线范围内以相等的间隔进行绕线;间隔误差在20%以内可以允收,如图3b所示。
  图3绕线方式
  ③多层密绕:在一个绕组一层无法绕完,必须绕至第二层或二层以上,此绕法分为三种情况:
  a)任意绕:在一定程度上整齐排列,达到最上层时,布线已零乱,呈凹凸不平状况,这是绕线中最粗略的绕线方法。
  b)整列密绕:几乎所有的布线都整齐排列,但有若干的布线零乱(约占全体30%,圈数少的约占5%REF)。
  c)完全整列密绕:绕线至最上层也不零乱,绕线很整齐的排列,这是绕线中最难的绕线方法。
  ④定位绕线:布线指定在固定的位置,一般分五种情况,如图4所示。
  图4定位绕线
  ⑤并绕:两根以上的线同时平行的绕同一组线,各自平行的绕,不可交叉,此绕法大致可分为四种情况,如图5所示。
  图5并绕方式
  2)引线要领:
  飞线引线的长度按工程图要求控制,如需绞线,长度须多预留10%。套管须深入挡墙3mm以上,如图6所示。
  图6飞线和引线示意图
  3)注意事项:
  ①当起绕(START)和结束(FINISH)出入线在骨架的同一侧时,结束端回线前须贴一块横越胶布(CROSSOVERTAPE)作隔离。
  ②出入线于使用,骨架的凹槽出线时,原则上以一线一凹槽方式出线,若同一引脚有多组可使用同一凹槽或相邻的凹槽出线,唯在焊锡及装套管时要注意避免短路。
  ③绕线时需均匀整齐绕满骨架的绕线区为原则,除工程图面上有特别规定绕法时,则以图面为准。
  ④变压器中有加铁氟龙套且有折回线时,其出入线所加之铁氟龙套管须与骨架的凹槽口齐平(或至少达2/3高),并自骨架的凹槽出线以防止因套管过长造成拉力将线扯断。但若为L形引脚水平方向缠线,则套管应与骨架边齐平(或至少2/3长),如图7所示。
  图7套管的长度示意图
  ⑤变压器中须加醋酸布作为档墙胶带时,其档墙胶带必须紧靠模型两边。为避免线包过胖及影响漏感过高,故要求2TS以上之醋酸布重叠不可超过5mm,包一圈之醋酸布只须包0.9T,留缺口以利于凡立水良好的渗入底层。醋酸布宽度择用与变压器安规要求有关,VED绕法ACT宽度3.2mm包两边且须加套管。绕法:PIN端6mm/4.8mm/4.4mm/4mm;TOP端3mm/2.4mm/2.2mm/2mm时不须套管。绕线时铜线不可上档墙,若有套管,套管必须伸入档墙3mm以上。
&  2.包铜箔
  (1)铜箔绕制工法
  1)铜箔的种类及在变压器中之作用:我们以铜箔的外形分有裸铜各背胶两种:铜箔表面有覆盖一层胶带的为背胶,反之为裸铜;以在变压器中的位置不同分为内铜和外铜,裸铜一般用于变压器的外铜、铜箔在变压器中一般起屏蔽作用,主要是减小漏感,激磁电流,在绕组所通过的电流过高时,取代铜线,起导体的作用。
  2)铜箔的加工
  ①内铜箔一般加工方法:焊接引线→铜箔两端平贴于醋酸布中央→折回醋酸布(醋酸布须完全覆盖住焊点)→剪断醋酸布(铜箔两边须留1mm以上),如图8所示。
  图8内铜箔加工示意图
  ②内铜飞宏加工方法如图9所示。
  图9内铜飞宏加工方法
  ③外铜加工方法如图10所示。
  图10外铜加工方法
  (2)变压器中使用铜箔的工法要求
  1)铜箔绕法除焊点处必须压平外铜箔之起绕边应避免压在骨架转角处,须自骨架的中央处起绕,以防止第二层铜箔与第一层间因挤压刺破胶布而形成短路,如图11所示。
图11 使用铜箔的工法要求
  2)内铜片于层间作屏蔽绕组时,其宽度应尽可能涵盖该层之绕线区域面积,又厚度在0.025mm(1mil)以下时两端可免倒圆角,但厚度在0.05mm(2mils)(含)以上之铜箔时两端则需以倒圆角方式处理。
  3)铜箔须包正包平,不可偏向一边,不可上挡墙,如图12所示。
  图12包铜箔的示意图
  4)焊外铜,如图13所示。
  图13焊接外铜的示意图
  (3)注意事项
  1)铜箔焊点依工程图,铜箔须拉紧包平,不可偏向一侧;
  2)点锡适量,焊点须光滑,不可带刺,点锡时间不可太长,以免烧坏胶带;
  3)在实物上,短路铜箔的厚度用0.64mm即可,而铜箔宽度只须要铜窗绕线宽度的一半。
  3.包胶带
  包胶带的方式一般有以下几种,如图14所示。
  图14包胶带的方式
  注意:胶带须拉紧包平,不可翻起刺破,不可露铜线,最外层胶带不宜包得太紧,以免影响产品美观。压线胶带的贴法如图15所示。
  图15压线胶带的贴法
  4.压脚
  1)将铜线理直理顺并缠在相应的脚上;
  2)用斜口钳将铜线缠紧并压至脚底紧靠档墙;
  3)剪除多余线头;
  4)缠线圈数依线径根数而定,如图16所示。
  图16压脚方式
  注意:铜线须紧贴脚根,预计焊锡后高度不会超过墩点;不可留线头,不可压伤脚,不可压断铜线,不能损坏模型。
  另外,铜线过多的可绞线,如图17所示。
  图17绞过多的铜线
  5.焊锡
  (1)焊锡作业步骤
  1)将产品整齐摆放;
  2)用夹子夹起一排产品;
  3)脚沾助焊剂;
  4)以白手捧刮净锡面;
  5)焊锡:立式模型镀锡时将脚垂直插入锡槽(卧式模型将脚倾斜插入焊锡槽),镀锡深度以锡面齐铜PIN底部为止,如图18所示。
  图18焊锡的示意图
  (2)要求
  镀锡须均匀光滑,不可有冷焊,包焊,漏焊,连焊,氧焊或锡团,焊锡的标准如图19所示。锡焊的要求如下:
  图19焊锡的标准
  1)引脚为垂直引脚时,可留锡尖,但锡尖长不超过1.5mm。
  2)引脚为L形引脚时且为水平方向缠线时,在水平方向的引脚不可留锡尖,垂直方向引脚可留锡尖且锡尖长不可超过1.5mm。
  3)PVC线之裸线部份(多股线)不可有刻痕及断股,且锡焊后不可有露铜或沾胶,或沾有其它杂质。
  4)助焊剂(FLUX)须使用中性溶剂。
  5)锡炉度须保持在450~500℃之间,锡焊时间因线径不同而异,如下:AWG#30号线以上1~2s;AWG#21~AWG#29号线2~3s;AWG#20号线以下3~5s。
  6)锡炉用锡条,其锡铅比例标准为60/40。每月须加一次新锡约1/3锡炉量。
&&&&&&& 7)焊一次锡面须刮净再第二次。
&&&&&&& 8)每周清洗锡炉一次并加新锡至锡炉满为止。
  (3)注意事项
  1)白包模型含锡油多,锡焊时间不可过长。
  2)塑料模型不耐高温,易产生包焊或引脚移位。
  3)不可烧坏胶带,三层绝缘线须先脱皮后镀锡;
  4)焊点之间最小间隙须在0.5mm以上,如图20所示。
  图20焊点之间的距离要求
  6.组装铁心
  (1)铁心组装作业过程
  1)铁心确认:不可破损或变形;
  2)工程图规定须有气隙的铁心研磨,须加工的铁心;
  3)组装:如无特殊规定,卧式模型已研磨的铁心装初级端,立式模型已研磨的引脚端;
  4)铁心固定方式可以铁夹(CLIP)或三层胶布方式固定,且可在铁心接合处点环氧树脂胶(EPOXY)固定,点胶后须阴干半小时再置于120℃烤箱中烘烤一小时。包铁心的固定胶布须使用与线包颜色相同的胶布(图面特殊要求除外),厂家需符合UL规格。组装过程如图21所示。
  图21组装变压器过程示意图
  注意:铁心胶布起绕处与结束处;立式起绕于引脚端中央,结束于中央;卧式起绕于引脚1,结束于引脚1。有的铜箔则起绕于焊接点,结束于焊接点。
  (2)组装铁心之注意事项
  1)组装铁心时,不同材质的铁心不可组装在同一产品上;
  2)有加气隙(GAP)之变压器与电感器,其气隙(GAP)方式须依照图面所规定的气隙(GAP)方法,放于GAP中之材质须能耐温130℃以上,且有材质证明者或是铁心经加工研磨处理;
  3)无论是有加气隙或无加气隙的铁心组合,铁心与铁心接触面都需保持清洁,否则在含浸作业后电感值会因而下降;
  4)包铁心的胶布宽度规定,以实物外观为优先着眼,次以铁新宽减胶布宽空隙约0.3mm~0.7mm为最佳。
  7.含浸
  (1)操作步骤
  操作过程如图22所示,操作要求如下:
  图22含浸过程示意图
  1)将产品整齐摆放于铁盘内。
  2)调好绝缘漆(凡立水)浓度:0.915±0.04。
  3)将摆好产品的铁盘放于含浸槽内。
  4)启动真空含浸机,抽气至40~50cm/kg,放入绝缘漆,再抽气至65~75cm/kg,须连续抽真空,破真空3-5次,含浸10~15min,视产品无气泡溢出。
  5)放气,放下绝缘漆,再反抽至65~75cm/kg一次,放气,待产品稍干后取出放置滤干车上阴干。
  6)滤干10min以上,视产品无绝缘漆滴下。
  7)烘干:先将烤箱温度调至80℃,预热1h再将温度调至100℃,烘烤2h最后将温度调至110℃,烘烤4h,拆样确认。
  8)将产品取出烤箱。
  9)冷却:用风扇送风加速冷却。
  10)摆盘后送至生产线。
  (2)注意事项
  1)绝缘漆与稀薄剂调配比例为2:1
  2)放入绝缘漆时,绝缘漆高度以完全淹没产品为准,但绝缘漆不可上铜脚(特殊机种除外)。
  8.贴标签(或喷字)
  1)标签确认:检查标签内容是否正确,有无漏字错字,字迹是否清晰,检查标签是否过期。喷字时必须确认所设定的标签完全正确,如图23所示。
  图23标签包含的内容
  2)贴标签时,将产品初级朝同一方向整齐摆放,喷墨时应将产品之喷印面朝喷头,摆放于输送带上,产品必须放正。
  3)贴标签:料号标签及危险标签须依图面所规定的置及方向盖印或黏贴。标示“DANGER(危险)”或“HIGHVOLTAGE(高压)”及闪电符号标签应贴付于变压器之上方中央位置。其贴示方向以“DANGER(危险)”箭头方向朝变压器原边绕组为作业要求,如图24所示。
  图24标签示意图
  (4)注意事项:标签须贴正贴平,贴完后须用手单击,使之与产品完全接触;标签不可贴错、贴反、贴歪或漏贴。
  9.外观
  外观检查包括以下几个方面的内容:
  (1)确认产品是否完整
  1)模型是否有裂缝,是否断开;
  2)铁心是否有破损;
  3)胶带是否刺破;
  4)套管是否有破损,是否过短;
  5)是否剪错脚位。
  (2)清除脏物
  1)含浸后变压器铁心四周不得残留余胶(绝缘漆固体状)以免变压器无法平贴PCB(印制电路板),或黏贴标签时无法平整;
  2)清除铜渣锡渣。
  (3)卧式铁心在含浸绝缘漆后不能有倾斜现象(线包不可超出骨架)。
  (4)合PCB有标有三点(STAND-OFF)的变压器,插入PCB时可允许三点平贴PCB即可。
  (5)铁心不可有松动现象。
  (6)脚须垂直光滑,不可有松动及断裂现象,且不能有刻痕。
  (7)引脚不可有弯曲变形或露铜氧化,间隔(PITCH)则以图面上规定或实套PC板为准,骨架的引脚长以图面上所规定为准。
  (8)检查焊锡是否完整。
  (9)检查标签是否正确,是否有贴错、贴反或漏贴。
  (10)检查打点是否清晰,位置是否正确,有无打错、打反或漏打。
  (11)不良品必须进行修补,无法修补方可报废。
  (12)胶带修补:最外层胶布破损造成线圈外露者,须加贴胶布完全覆盖住破损处,且加贴胶布之层数须与原规定最外层胶布之层数相同,并于涂绝缘漆后烘烤干始可。加贴之胶布其头尾端均须伸入铁心两侧内,且伸入铁心两侧的胶布长以不超过铁心的厚度为限。(胶布伸入至少达到2/3铁心厚)。
  10.测试
  电气测试主要包括以下三个方面的内容:
  (1)电感测试:测试主线圈的电感量。半成品测试时,须将电感值域范围适当缩小。
  (2)圈数测试:测试产品的圈数,相位即同名端和异名端。
  (3)高压测试。
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