一种单相智能电能表电源变压器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压器，尤其涉及变压器的设计方法。
【背景技术】
[0002] EI型插片铁心电源变压器结构简单，成本低，EI型插片铁心及其配套的线圈骨 架、夹框等均已形成系列并大量生产，是民用电子设备中用量最多的一种铁心结构形式，因 而本发明智能电能表电源变压器亦采用EI型插片铁心。
[0003] 王全保的《新编电子变压器手册》是目前变压器设计人员普遍采用的设计依据，即 参考文献：王全保。新编电子变压器手册。辽宁科学技术出版社，2007. 6。其中对各种变压 器的设计方法进行了详细描述，但在最终进行电压核算之前，必须先对所选规格的铜线进 行电流承载能力核算，参考文献中并未提及，也是一般技术人员容易忽视的关键步骤。如果 所选规格的铜线电流承载能力小于实际电流，轻则造成变压器温升过高，重则长时间运行 时可能造成变压器烧毁。
【发明内容】
[0004] 本发明针对以上问题，提供了一种基于EI型插片铁心电源变压器，不仅输出电 压、电流满足指标要求，而且体积小，温升低的单相智能电能表电源变压器设计方法。
[0005] 本发明的技术方案是：包括以下步骤：
[0006] S1 :列出单相智能电能表电源变压器的技术指标，包括初级输入电压、电源频率、 次级一空载输出电压、次级二空载输出电压、次级一负载输出电压、次级一负载输出电流、 次级二负载输出电压、次级二负载输出电流、平均工作环境温度、极限工作环境温度、线圈 允许温升、绝缘等级和大气压力；
[0007] S2 :计算变压器输出功率容量，包括额定输出功率和最大输出功率，假定为小功率 电源变压器；
[0008] S3 :计算变压器电压调整率，包括
[0009] 变压器次级一的标准调整率、最大调整率、第二调整率、第三调整率和最小调整 率，
[0010] 变压器次级二的标准调整率、最大调整率、第二调整率、第三调整率和最小调整 率；
[0011] 初步选择变压器的电压调整率；
[0012] S4 :计算变压器额定输入功率容量；
[0013] S5 :选取变压器的线圈占空系数Km，在S2中的小功率电源变压器中进行选取；
[0014] S6 :选取变压器铁心负载磁感应强度B，在S3中选择的电压调整率的基础上，进行 选取；
[0015] S7 :计算变压器结构系数Az，由S3中选择的电压调整率，可计算出Az，从而可确定 变压器中EI插片铁心的型号及其参数：包括铁心平均磁路长度、铁心有效截面积和铁心质 量；
[0016] S8 :计算变压器的初、次级匝数；通过计算铁心每伏感应电动势所需的匝数、初级 感应电动势和次级感应电动势，从而计算出变压器初级匝数和变压器次级匝数；
[0017] S9 :确定导线直径；在S7中，由变压器插片铁心的型号及相应的三槽线圈骨架、线 槽宽度和线槽厚度，可确定变压器初级绕线宽度和次级绕线宽度；通过假定可绕线部分的 厚度，则计算出变压器初、次级可绕线部分面积；
[0018] 再选取变压器初级绕组的排绕系数和叠绕系数，变压器次级绕组的排绕系数和叠 绕系数，计算出初级带绝缘导线外径和次级带绝缘导线外径；
[0019] 通过查国产圆铜漆包线线规表，确定变压器初、次级绕组选取的导线规格，包括变 压器初级线圈的铜线标称直径、绝缘外径、导线每千米质量和20°c时铜阻；
[0020] 变压器次级线圈中线圈一的铜线标称直径、绝缘外径、导线每千米质量和20°C时 铜阻，线圈二的铜线标称直径、绝缘外径、导线每千米质量和20°C时铜阻；
[0021] S10 :计算绕组结构；首先计算出初级绕组每层匝数和层数、次级绕组每层匝数和 层数，再计算出初、次级各绕组厚度，进行确认是否符合S9中尺寸要求，符合，继续；不符 合，返回至S3 ;
[0022] 再计算骨架外周长、各绕组平均匝长、各绕组导线长度、各绕组铜重、20°C时各绕 组铜阻和热态电阻；
[0023] S11:计算初级总电流；
[0024] 首先，确定变压器的铁心材料，
[0025] 再依次计算初级磁化电流：根据S6中设定的负载磁感应强度B，确定磁场强度，从 而计算初级磁化电流；
[0026] 计算初级铁损电流：根据S6中设定的负载磁感应强度B，确定铁心单位重量的损 耗，从而计算变压器初级铁损电流；
[0027] 计算初级电流有功分量；
[0028] 计算初级总电流；
[0029] S12 :计算空载电流；
[0030] 由S3中的电压调整率和S6中的变压器铁心负载磁感应强度B计算空载磁感应强 度仏，若电压调整率取值高，初级铜阻大，存在空载磁感应强度仏已接近饱和，可修正空载 磁感应强度；
[0031 ] 再计算空载磁化电流和空载铁损电流，通过空载磁化电流和空载铁损电流计算出 空载电流；
[0032] S13 :线圈绕组承载电流核算；
[0033] 初级线圈电流承载能力核算：若大于S12中的空载电流，满足电流承载要求，若小 于S12中的空载电流，返回至S3 ;
[0034] 次级线圈1电流承载能力核算：若大于S1中的次级一负载输出电流，满足电流承 载要求，若小于S1中的次级一负载输出电流，返回至S3 ;
[0035] 次级线圈2电流承载能力核算：若大于S1中的次级二负载输出电流，满足电流承 载要求，若小于S1中的次级二负载输出电流，返回至S3 ;
[0036] S14:电压核算；
[0037] 计算初级铜阻压降、次级一铜阻压降、次级二铜阻压降、次级一负载压降、次级二 负载压降、次级一空载压降和次级二空载压降；
[0038] 通过将计算后的数值与S1中的次级一空载输出电压、次级二空载输出电压、次级 一负载输出电压和次级二负载输出电压作比较，计算出相差的百分数绝对值；
[0039] S15 :次级线圈匝数调整；
[0040] 由S14可知，需要对次级线圈一和次级线圈二的匝数进行适当调整，才能使输出 电压满足指标要求。对次级线圈一和次级线圈二的减少与增加匝数的选取原则为根据各次 级的空载电压与负载电压误差的平均值进行减少与增加。
[0041] 在S1-S15步骤的基础上，还包括以下步骤：
[0042] S16:变压器各参数重新核算；根据新的次级线圈匝数，重复步骤S11?S14,得到 新的变压器各参数；
[0043] S17 :计算电压调整率，进行验证；
[0044] S18 :计算变压器温升，进行验证。
[0045] 本发明中的设计方法基于参考文献：王全保。新编电子变压器手册。辽宁科学技 术出版社，2007. 6,其中步骤S1-S13增加了集合圆铜线线规表进行所选尺寸规格铜线的电 流承载能力判断，从而避免选线失误。另外，初次设计的变压器的次级线圈匝数未必满足电 压输出指标要求，必须对次级线圈的匝数进行适当调整，才能使输出电压满足指标要求；步 骤S14-S15中提出了一种次级线圈匝数调整的方法，减少与增加匝数的选取原则为根据各 次级的空载电压与负载电压误差的平均值进行减少与增加。最后步骤S16-S18对变压器的 重新核算，实现了智能电表电源变压器不仅输出电压、电流满足指标要求，而且体积小，温 升低。
【附图说明】
[0046] 图1是本发明的流程图一，
[0047] 图2是本发明的流程图二；
【具体实施方式】
[0048] 本发明如图1-2所示，其中涉及的参考文献为：王全保。新编电子变压器手册。辽 宁科学技术出版社，2007. 6;包括以下步骤：
[0049] S1.单相智能电能表电源变压器技术要求：
[0050] 用户提出的单相智能电能表电源变压器技术指标要求如下：
[0051] 初级输入电压：220V
[0052] 电源频率：50Hz
[0053] 次级空载输出电压：次级1:12 ±0. 5V
[0054]次级 2 :14. 5±0. 5V
[0055] 次级负载输出电压、电流：次级1 :10±0. 5V，15mA
[0056]次级 2 :12±0. 5V，100mA
[0057] 平均工作环境温度：+40°C
[0058] 极限工作环境温度：+70°C
[0059] 线圈允许温升：彡45°C
[0060] 绝缘等级：E级
[0061] 大气压力：标准大气压101. 3KPa
[0062] S2.计算变压器输出功率容量
[0063]额定输出功率：P2= U 山+U2I2= 10X 15+12X 100 = 1250mW = 1. 35 (W)
[0064]最大输出功率：p2_= U -山+仏眶I2= 10.5X15+11.5X100 = 1407. 5mff ^ 1. 41 (W)
[0065] 因此，本发明智能电能表电源变压器为功率小于3W的小功率电源变压器。为降低 变压器成本，提高变压器输出功率，减小变压器体积，智能电能表电源变压器应按电压调整 率设计。S3.计算变压器电压调整率
[0066] 变压器次级1 :
[0067]标准调整率：AA= (12_10)/12X100%= 16. 7%，
[0068]最大调整率：AUlniax= (12. 5-9. 5)/12. 5X100%= 24%，
[0069]第二调整率：AU12= (11. 5-9. 5)/ll. 5X100%= 17. 4%，
[0070] 第三调整率：AU13= (12. 5-10. 5)/12. 5X100%= 16%，
[0071]最小调整率：AUlniin= (11. 5-10. 5)/ll. 5X100%= 8. 7%。
[0072] 变压器次级2:
[0073]标准调整率：AU2= (14. 5_12)/14.