电工实训用小型变压器温升控制优化：基于强制风冷与散热结构改进

一、引言

在电工实训教学中，小型变压器作为电力拖动、继电控制等实训项目的核心设备，需长期承受频繁启停、负载突变等严苛工况。根据GB/T6451-2015《油浸式电力变压器技术参数和要求》，A 级绝缘变压器的绕组温升限值为 65K，但实训场景下，受连续运行时间长、多台设备密集摆放等因素影响，实际温升常超出标准 15%-20% 。过高的温升不仅加速绝缘材料老化，还会导致铁芯损耗增加，严重时甚至引发绕组短路、油箱变形等设备故障，影响实训教学的正常开展。所以强化研究十分必要。

二、实训用小型变压器温升特性分析

（一）设备参数与工况特点

（1）负载波动幅度大：实训项目切换（如从“单相电机控制”切换至“三相电机星三角启动”）时，负载率会从 20%-30% 骤升至110%-120% ，导致绕组铜损（与负载电流平方成正比）急剧变化，短时间内热量生成量翻倍；

（2）启停频率高：每日实训课程分为4-6 个模块，每个模块开始前需启动变压器，结束后需关停，单日启停次数达 8-12 次。每次启停过程中，励磁涌流（可达额定电流的 5-8 倍）会产生瞬时高损耗，加剧温升累积；

（3）环境散热条件差：实训室内通常摆放 10-15 台同类设备，设备间距小且门窗常关闭（避免粉尘影响设备精度），夏季室内环境温度可达 32-35°C ，空气自然对流速度仅 0.1-0.2m/s ，进一步恶化散热条件。

（二）温升关键影响因素

（1）散热结构设计局限：传统变压器油箱采用平板式外壁 + 直列翅片设计，翅片高度 80mm 、厚度 3mm 、间距 30mm ，总散热面积仅为0.8m² 。仿真发现，翅片间距过大易导致空气在翅片间形成涡流（流速低于 0.3m/s ），热交换效率低；且平板式油箱外壁导热路径长，铁芯与绕组产生的热量难以快速传递至外界；

（2）热量分布不均与局部热点：变压器总损耗中，绕组铜损占比65% （约 180W），铁芯铁损占比 30% （约 85W），杂散损耗（包括油箱涡流损耗、引线损耗等）占比 5% （约 14W）。热量集中在绕组端部（距绕组首端1/3 处）与铁芯柱（上下铁轭与铁芯柱交接处），形成局部热点，仿真测得最高温度达 118% ，远超A 级绝缘允许温度；

（3）散热方式与负载匹配度低：传统强制风冷系统采用固定转速（ 1500r/min ）风扇，未考虑负载变化对散热需求的影响。轻载时（如负载率 30% ），风扇高速运转产生的散热能力远超实际需求，造成电能浪费（单日额外能耗约 0.3kWh）；重载时（如负载率 120% ），固定转速风扇的散热能力不足，无法有效抑制温升，仿真显示此时绕组温升仍会超出限值 10-12K。

三、温升控制优化方案设计

（一）散热结构改进（被动散热优化）

（1）翅片形态优化：将直列平板翅片改为蜂窝状多孔结构，翅片厚度减至 2mm （在保证结构强度的前提下减少材料用量），蜂窝孔径设为 8mm ，孔隙率控制在 45% （通过仿真验证，此孔隙率下空气流动阻力最小且散热面积最大）。改进后，在油箱体积保持 0.08m³ 不变的前提下，总散热面积提升至 1.52m² ，较原结构增加 90% ；同时，蜂窝状结构可将热量分散至多个散热面，避免局部热点形成，仿真显示热点温度可降低 15-20‰ ；

（2）翅片间距与布局调整：将翅片间距从 30mm 减小至 15mm ，采用交错排列方式（相邻两排翅片错开半间距），减少空气流动时的绕流损失。仿真结果表明，改进后空气在翅片间的流速从 0.3m/s 提升至 0.6m/s ，对流换热系数从 15W/(m²⋅K) 提升至 28W/(m²Ω⋅K) ，强化了对流换热效果；此外，交错布局还能避免相邻翅片间的热干扰，使散热更均匀；

（3）散热材料升级：传统翅片采用Q235 钢材（导热系数45W/(m∇⋅K) ），导热效率低。改进后选用6063 铝合金（导热系数 201W/(m⋅K) ），导热性能较钢材提升 347% ，可加速油箱内部热量向翅片传递。同时，6063 铝合金的密度（ 2.7g/cm³ ）仅为钢材（ 7.8g/cm³ ）的 34.6% ，能在增加散热面积的同时，控制设备总重量（较原结构增加不足 5kg ），满足实训台承重要求。

（二）智能强制风冷系统设计（主动散热优化）

（1）温度采集模块设计：采用 DS18B20 数字温度传感器（测量范围 -55‰ 至 125°C ，精度 ±0.5C ），在变压器关键部位设置测点：绕组端部（3 个测点，分别位于 A、B、C 三相绕组首端 1/3 处）、铁芯柱（2 个测点，分别位于上下铁轭与铁芯柱交接处）、油箱表面（1个测点，位于油箱侧壁中部）。传感器通过单总线与STM32 单片机连接，采样频率设为 1Hz ，实时采集各测点温度数据，为风机控制提供依据；

（2）多级调速控制策略：以绕组平均温度（3 个绕组测点温度的算术平均值）作为核心控制指标，制定三级调速方案：当绕组平均温度 T⩽60⩽C 时，风机停转，仅依靠改进后的散热结构进行自然对流散热。此阶段对应负载率 <50% ，热量生成量少，自然散热即可满足需求，避免风机空转耗能；当 60^∘C∘C 时，风机以低速（ 800r/min ）运行。此阶段对应负载率 50%-100% ，热量生成量中等，低速风冷可辅助自然散热，避免温升过快；当 T>80% 时，风机以高速（ 1500r/min ）运行。此阶段对应负载率 >100% ，热量生成量大幅增加，高速风冷可快速带走热量，抑制温升超出限值；

（3）能耗优化与保护设计：在低速模式下，采用 PWM（脉冲宽度调制）信号控制风机转速，通过调节占空比（ 30%-50% ）实现转速平滑调节，避免风机频繁启停（启停次数减少 80% 以上），延长风机使用寿命（从传统固定转速的2000 小时提升至5000 小时以上）。

四、结论

本文通过对电工实训用小型变压器温升特性的深入分析，明确了散热结构局限、热量分布不均及散热方式滞后是导致温升过高的核心问题，并针对性提出“蜂窝状散热翅片 + 智能强制风冷”的协同优化方案。该方案通过结构改进扩展散热面积、提升导热效率，通过智能控制实现散热能力与负载的动态匹配，既能有效抑制温升，又能减少散热能耗，为实训用变压器的安全稳定运行提供保障。

参考文献

[1] 王建国 , 李娜 . 电工实训用变压器常见故障分析与维护 [J]. 电气技术 ,2020, 21 (5): 89-92.

[2] 张晓明 , 刘军 . 小型干式变压器强制风冷系统的优化设计 [J]. 变压器 ,2019, 56 (8): 23-26.

王峻（1986-），男（汉族），黑龙江齐齐哈尔人，学士，任职于，讲师，研究方向：电子信息工程（电工类）。