變壓器的溫升計算方法

１、引言
　　我們提出工頻變壓器溫升計算的問題，對高頻變壓器的溫升計算也可以用來借鑒。工頻變壓器的計算方法很多人認為已趨成熟沒有什么可討論的，其實麻雀雖小五臟俱全，再成熟的東西也需要不斷創新才有生命力。對于一個單位的工程技術人員來講溫升計算問題可能并不存在，溫升本身來源于試驗數據，企業本身有大量試驗數據，溫升問題垂手可得，拿來主義就可以了，在本企業來說絕對有效，離開了本企業也帶不走那么多數據。但冷靜的考慮一下，任何一個企業不可能生產全系列變壓器，總會有相當多的系列不在你生產的范圍內，遇到一些新問題，只能用打樣與試驗的方法去解決，小鐵心不在話下，耗費的工時與材料都不多，大鐵心耗費的鐵心與線材就要考慮考慮了。老企業可以用這樣簡單的辦法去解決，只不過多花費一些時間罷了，一個新企業或規模不大的企業，遇到這些問題要用打樣與試驗的方法去解決，就耗時比較多了，有時候會損失商機。進入軟件時代，軟件的編寫者如不能掌握這一問題，軟件的用戶將會大大減少。下面就溫升的計算公式進行探討，本文僅提出一個輪廓，供大家參考。
2 熱阻法
　　熱阻法基于溫升與損耗成正比，不同磁心型號熱阻不同，熱阻法計算溫升比較準確，因其本身由試驗得來，磁心又是固定不變的，熱阻數據由大型磁心生產廠商提供。有了廠家提供的熱阻數據，簡單、實用何樂而不為。高頻變壓器可采用這一方法。而鐵心片供應商不能提供熱阻這一類數據，因此低頻變壓器設計者很難采用。熱阻法的具體計算公式如下：

式中，
溫升ΔT（℃）
變壓器熱阻Rth（℃/w）
變壓器銅損PW（w）
變壓器鐵損PC（w）
3 熱容量法
　　源于早期的灌封變壓器，由于開放式變壓器的出現這種計算方法已被人遺忘，可以說是在考古中發現。這種計算方法的特點是把變壓器看成是一個密封的元件，既無熱的傳導，也無熱的輻射，更無熱的對流，熱量全部靠變壓器的鐵心、導線、絕緣材料消耗掉。這樣引出一個熱容量（比熱）的概念，就可以利用古人留給我們的比熱的試驗數據，準確的計算出變壓器的溫升來。不是所有的變壓器都可以利用這一計算公式，唯獨只有帶塑料外殼的適配器可采用這一方法，這種計算方法準確度猶如甕中捉鱉十拿九穩。若適配器開有百葉窗，那就有一部份熱量通過對流散發出去，如不存在強迫對流，百葉窗對溫升的影響只在百分之三左右。上一代的變壓器設計工作者對這一計算方法很熟悉，現在的變壓器設計工作者根據此線索，進行考古也會有收獲。熱容量法的計算模式如下：

式中，溫升ΔT（℃）
變壓器質量Gt（g）
變壓器銅損PW（w）
變壓器鐵損PC（w）
T—加熱時間常數（s）
At—變壓器散熱面積（cm2）
Ct——變壓器比熱（w·s/℃·g）

CC——鐵心比熱（w·s/℃·g）
GC——鐵心質量（g）
cw——導線比熱（w·s/℃·g）
Gw——導線質量（g）
cis——絕緣材料比熱（w·s/℃·g）
Gis——絕緣材料質量（g）
Gt——變壓器質量（g）
4 散熱面積法
　　散熱面積法基于熱量全部由變壓器表面積散發出去，這種算法有三種類型：
4.1 統算法
不管變壓器的鐵損銅損統統加起來，讓他從變壓器表面積散發出去，環型變壓器常采用這一形式。有兩種公式：
1）第一種形式

α——變壓器散熱系數（w/cm2·℃）
At——變壓器散熱表面積cm2
2）第二種形式

4.2 熱交換法
　　熱交換法的理論認為若鐵心的溫度與線圈的溫度不同，為達到溫度平衡鐵心與線圈之間必需進行熱交換，熱交換有三種形式，一是鐵心溫度高線圈溫度低，鐵心向線圈傳熱，二是鐵心溫度低線圈溫度高，線圈向鐵心傳熱，三是鐵心溫度與線圈溫度相等，互不傳熱，這樣計算方法與統算法相似，只不過他要先計算出鐵心與線圈的溫度后才能下結論，統算法是不管三七二十一，鐵心與線圈溫度是多少只有一種算法，
1）計算線圈與鐵心初始溫升比

2）計算線圈與鐵心間熱平衡系數k

3）計算修正前溫升Δτw0

Aw——線圈散熱面積(cm2)
鐵心散熱面積AC與線圈散熱面積AW之比
αw0——線圈散熱系數（w/cm2·℃）
　　散熱面積的計算也有三種，第一種認為變壓器底部的面積是不能散熱的，是將變壓器底部表面積不計入變壓器的散熱面積，第二種是認為變壓器底部雖不能散熱，但底部是安裝在金屬底板也會散熱，因次將底部的面積計算進去，第三種是變壓器表面不規則時為了計算方便要用等效散熱面積去代替，例如環型變壓器，采用直徑等于變壓器外徑，高度等于變壓器高度的一個圓柱體的表面積來代替變壓器的散熱面積，這三種計算方法的散熱面積是不同的，所引起的誤差要折算到散熱系數中，這樣才能使計算出的溫升基本相同。
　　散熱系數也有兩種。一種認為散熱系數是常數，通常是0.8×10－3(w/cm2·℃) 另一種認為散熱系數是一條曲線，鐵心規格越小散熱系數越大，隨著鐵心規格的增大散熱系數趨向平緩，散熱系數約在1.5~0.7×10－3 (w/cm2·℃) 之間。
4.3 鐵心采用熱容量法線圈采用散熱系數法
　　有些環型變壓器鐵心比較大，鐵損較小，鐵損產生的熱量很小，用熱容量法計算出的鐵心溫升比線圈溫升小的多，這種變壓器用傳統計算方法計算出的溫升往往比實際溫升高的多，這就需要將銅損貼補一部分給鐵心才能達到熱平衡，用手工去算十分麻煩，要反復計算，如打樣，有時鐵心很大（數公斤到數十公斤），浪費材料很多，如采用軟件來計算應是輕而易舉的。
5 后記
　　變壓器的結構五花八門，有封閉式與開放式，封閉式有塑殼上開百葉窗與不開百葉窗的區別，開放式膠心有套裝式、王字、工字、子母套的區別，還有UL認證，在線圈外包一塑料套。溫升的一些計算方法值得我們探討。例如套裝式與王字型膠心，初、次級之間有沒有熱交換？子母套膠心，初、次級之間除有絕緣材料外還有一個空氣道。用膠蓋作鐵心與初、次級絕緣材料的環型變壓器，鐵心與初級線圈。初級與次級線圈之間存在空氣道，在某些情況下有空氣道的與沒有空氣道的，溫升相差不大，在另一些情況下溫升會有大的區別，這些問題在溫升計算是一樣還是不一樣有待我們去探索。