變壓器課程設(shè)計(jì)-小型單相變壓器設(shè)計(jì)

1、變壓器課程設(shè)計(jì)-小型單相變壓器設(shè)計(jì)變壓器課程設(shè)計(jì)-小型單相變壓器設(shè)計(jì) 課程 設(shè)計(jì)說 明書小型單相變壓器設(shè)計(jì)小型單相變壓器簡(jiǎn)介：變壓器是通過電磁耦合關(guān)系傳遞電能的設(shè)備，用途可綜述為：經(jīng)濟(jì)的輸送電能、合理的分配電能、安全的使用電能。實(shí)際上，它在變壓的同時(shí)還能改變電流，還可改變阻抗和 相數(shù)。小型變壓器指的是容量 1000V.A以下的變壓器。最簡(jiǎn)單的小型單相變壓器由一個(gè)閉合的鐵心 （構(gòu)成磁路）和 繞在鐵心上的兩個(gè)匝數(shù)不同、彼此絕緣的繞組（構(gòu)成電路）構(gòu)成。這類變壓器在生活中的應(yīng)用非常廣泛。一、變壓器的工作原理 變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等，變 壓器常用的鐵心形狀一

2、般有E型和C型鐵心。變壓器（transformer）是利用電磁感應(yīng)原理將奧一電壓的交流換成頻率相同的另一電壓的交流電的能量的變換裝備變壓器的主要部件是一個(gè)鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組，如圖（1）所示。一個(gè)繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級(jí)） 個(gè)接負(fù)載，稱為副繞組（二次繞組、次級(jí)）原繞組各量用下標(biāo)1表示，副繞組各量用下標(biāo) 2表示原繞組匝數(shù)為 N1,副繞組匝數(shù)為 N2O圖(1)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖理想狀況如下(不計(jì)電阻、鐵耗和漏磁)，原繞組加電壓u1,產(chǎn)生電流i1,建立磁通 , 沿鐵心閉合，分別在原副繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2o(1)電壓變換 當(dāng)一次繞組兩端加上交流電壓u1時(shí)，繞組中通過交流電流i1

3、，在鐵心中將產(chǎn)生既與一次繞組交鏈， 又與二次繞組交鏈的主磁通品u1=-e1=N1d/dt ( 1-1 ) u2=-e2=N2d/dt ( 1-2 ) U1/U2=E1/E2=N1/N2=k(1-3) U2=U1/K(1-4) 說明只要改變?cè)?、副繞組的匝數(shù)比，就能按要求改變電壓。(2)電流變換 變壓器在工作時(shí)，二次電流I2的大小主 要取決于負(fù)載阻抗模|Z1|的大小，而一次電流I1的大小則取 決于I2的大小。又U1I1=U2I2 (1-5)I1=I2U2/U1=I2/K(1-6) 說明變壓器在改變電壓的同時(shí)，亦能改變電流。小型變壓器的原理：小型單相變壓器一般是指工頻小容量單相變壓器。二、 變壓器的

4、基本結(jié)構(gòu) 1、 鐵心：鐵心是變壓器磁路部分。為減少鐵心內(nèi)磁滯損耗渦流損耗，通常鐵心用含硅量較高 的、厚度為0.35或0.5mm、表面 涂有絕漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成鐵心分為鐵柱和鐵輾兩部分，鐵柱上套裝有繞組線圈， 鐵輾則是作為閉合磁路之用，鐵柱和鐵輾同時(shí)作為變壓器的 機(jī)械構(gòu)件。鐵心結(jié)構(gòu)有兩種基本形式： 心式和殼式。2、繞組：繞組是變壓器的電路部分。一般采用絕緣紙包的鋁線或銅線繞成。為了節(jié)省銅材，我國(guó)變壓器線圈大部分是采用鋁線。圖（2） 3、其它結(jié)構(gòu)部件：儲(chǔ)油柜、氣體繼電器、油箱。圖（3）單相心式變壓器 1鐵柱；2鐵輾；3高壓線 圈；4低壓線圈三、設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算內(nèi)容有四部分： 額定容量的確定；

5、鐵心尺寸的選定；繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑； 繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。1、額定容量的確定 變壓器的容量又稱表現(xiàn)功率和視在 功率，是指變壓器二次側(cè)輸由的功率，通常用 KVA表示。（1）二次側(cè)總?cè)萘?小容量單相變壓器二次側(cè)為多繞組 時(shí)，若不計(jì)算各個(gè)繞組的等效的阻抗及其負(fù)載阻抗的幅角的 差別，可認(rèn)為輸由總視在功率為二次側(cè)各繞組輸由視在功率 之代數(shù)和，即 S2=U2I2+U3I3+-+UnIn （3-1）式中 S2 二次側(cè)總?cè)萘?V -A) U2,U3,Un-一 二次側(cè)各個(gè)繞組電 壓的有效值(V); I2,I3,In 二次側(cè)各個(gè)繞組的負(fù)載 電流有效值(A)。(2) 一次繞組的容量對(duì)于小容量變壓

6、器來說，我們不能 就認(rèn)為一次繞組的容量等于二次繞組的總?cè)萘?，因?yàn)榭紤]到 變壓器中有損耗，所以一次繞組的容量應(yīng)該為S1=S2/r(單位為V-A) (3-2)式中S1變壓器的額定容量；變壓器的效率，約為 0.80.9,表3-1所給的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)時(shí) 間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可供計(jì)算時(shí)初步選用。表3-1小容量變壓器計(jì)算參考數(shù)據(jù)變壓器容量V八磁通密度X10T效率n (%)電流密度 鐵心計(jì)算中的 值 小于 10 60007000 6070 32.5 2 1050 70008000 7080 2.52 21.5 50100 80009000 8085 2.52 1.51.3 100 500 9000 11000 85

7、90 2.5 1.5 1.3 1.25 500 1000 1100012000 9092 1.51.2 1.251.1 (3)變壓器的額定 容量由于本次設(shè)計(jì)為小型單相變壓器，所以不考慮在三相 變壓器中的情況，只考慮在小型單相變壓器的情況。小型單相變壓器的額定容量取一、二繞組容量的平均值， S=* (S+S)(單位為 V -A)(3-3)(4) 一次電流的確定I1=(1.11.2)S/U1(3-4) 式中(1.11.2)考慮勵(lì)磁電流的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)容量很小的變壓器應(yīng)取大的系數(shù)。2、鐵心尺寸的選定(1)計(jì)算鐵心截面積 A為了減小鐵 損耗，變壓器的鐵心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶材料 制成。其中套有

8、繞組的部分稱為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱為 鐵輾，為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器鐵心在疊裝時(shí) 相臨兩層硅鋼片的接縫要相互錯(cuò)開。小容量變壓器鐵心形式多采用殼式，中間心柱上套放繞 組，鐵心的幾何尺寸如圖（4）所示。圖（4）小容量心柱截面積 A大小與其視在功率有關(guān)， 一般用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算（單位為cm）。A=K0 （3-5） A 鐵心柱的凈面積，單位為cm2 K0 截面計(jì)算系數(shù)，與變壓器額定容量Sn有關(guān)，按表3-2選取，當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時(shí)K0可取小些截面積計(jì)算系數(shù)K0表3-2截面積計(jì)算系數(shù) K0的估算值/VA <10 1050 50 100 100 500 >500 2 1.75

9、 1.75 1.5 1.5 1.35 1.35 1.25 1.251.0 （2）確定鐵心柱的寬度和厚度計(jì)算心柱截面積 A后，就可確定鐵心柱的寬度和厚度，根據(jù)圖3可知A=ab=abKc （3-6） 式中 a心柱的寬度（mm）; b心柱的 凈疊厚（mm）; b心柱的實(shí)際厚度（mm）; Kc疊片系數(shù)，是考慮到鐵心疊片間的絕緣所占空間引起鐵心面積 的減小所引入的。對(duì)于0.5mm厚，兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，Kc=0.93;對(duì)于0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，Kc =0.91;對(duì)于0.35mm厚，不涂漆的冷軋鋼片,Kc=0.95。按A的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取 b=(1.22.

10、0)a ,并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-3列由了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表3-3小型變壓器通用的硅鋼片尺寸a c h H 13 16 19 2225 28 32 38 44 50 58 64 7.5 9 10.5 11 12.5 14 16 19 22 25 2832 22 24 30 33 37.5 42 48 57 66 75 84 96 40 50 60 66 75 84 96114 132 150 168 192 34 40 50 55 62.5 70 80 95 110 125 140160 3、繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑(1)計(jì)算每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)從變壓器的電勢(shì)公式E=4.44

11、fNBmA,若頻率f=50Hz,可得由每伏所需 的匝數(shù) N0=N/E=108/4.44fBmA=4.5X 105/BmA (3-7)式中N0 對(duì)應(yīng)于每伏電壓的匝數(shù)，單位：匝/V Bm 鐵心柱內(nèi)工作磁密最大值，單位：T A 鐵心柱截面積，單位：cm2當(dāng)鐵心材料國(guó)熱軋硅鋼片時(shí)，取 Bm=1.01.2T;采用冷 軋硅鋼片時(shí)，可取 Bm=1.21.5T然后根據(jù)N和各線圈額定 電壓求由各線圈的匝數(shù) N1=N0U1( 3-8 )N2=(1.051.10)N0U2(3-9) N3=(1.051.10)N0U3(3-10)式中N1、N2Nn各線圈的匝數(shù)。為補(bǔ)償負(fù)載時(shí)漏阻抗壓降，副邊各線圈的匝數(shù)均增加了 5%1

12、0%。(2)計(jì)算導(dǎo)線直徑d小型變壓器的線圈多采用漆包圓銅線（QZ型或QQ型）繞制。為限制銅損耗及發(fā)熱，按各個(gè)繞組的負(fù)載電流，選擇導(dǎo)線 截面，如選的小，則電流密度大，可節(jié)省材料，但銅耗增加， 溫升增高。小容量變壓器是自然冷卻的干式變壓器，容許電流密度較 低，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過導(dǎo)線的電流密度J不能過大，對(duì)于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=23A/mm2。對(duì)于連續(xù)工作時(shí)可取 J=2.5A/mm2導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j.導(dǎo)線的直徑：=0.715mm導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計(jì)算，式中：d 一原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單位：mm; I 一原、副邊各線圈中的工作電流，單位：A ;根據(jù)算由的直徑查電工手冊(cè)或表

13、3-4選取相近的標(biāo)準(zhǔn)線徑。當(dāng)線圈電流大于10A時(shí)，可采用多根導(dǎo)線并聯(lián)或選用扁銅 線。表3-4導(dǎo)線材料的選取 螺線直徑導(dǎo)線品種0.06- 0.14 0.15- 0.21 0.23- 0.33 0.35- 0.49 0.51- 0.62 0.640.72 0.74- 0.96 1.0- 1.74 1.81 2.02 2.1- 2.44 高強(qiáng)度聚酯漆 包線 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13 硅有機(jī)單玻璃絲包線0.20 0.22 0.22 0.24 硅有機(jī)雙玻璃絲包線0.25 0.27 0.27 0.28 4、繞組(線圈)排列及鐵心尺寸

14、的最后確定繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為 Nc=0.9h-(24) /d(3-11)式中d 一絕緣導(dǎo)線外徑(mm); h 鐵心窗高(mm); 0.9 考慮 繞組框架兩端厚度的系數(shù)；(2-4)考慮裕度系數(shù)。各繞組所需層數(shù)為m=N / Nc (3-12) 各繞組厚度為ti=mi(di +8 i)343) i=1,2,，武;中 一層間絕緣厚度(mm),導(dǎo)線較細(xì)(0.2mm 以下)，用一層厚度為 0.02 0.04mm白玻璃紙，導(dǎo)線較粗(0.2mm以上)，用一層厚度為 0.050.07mm的電纜紙(或牛皮紙)，更粗的導(dǎo)線，可用厚 度為0.12mm的青殼紙；-繞組間的絕緣厚度

15、(mm),當(dāng)電壓不超過500V時(shí)，可用23層電纜紙夾12層黃蠟 布等。繞組總厚度為 t=(t0+t1+t2+-+tn) X(1.1 1(2-14) 式中t0繞組框架的厚度 (mm); 1.11.2考慮裕度的 系數(shù)。計(jì)算所得的繞組總厚度t必須略小于鐵心窗口寬度c,若t>c,可加大鐵心疊裝厚度，減小繞組匝數(shù)或重選硅鋼片的尺 寸，按上述步驟重復(fù)計(jì)算和核算，至合適時(shí)為止。四、實(shí)例計(jì)算 如上圖所示，取U1=220 U2=800 U3=1000 I2=0.5A I3=0.3A計(jì)算變壓器的主要參數(shù)，并選擇可行的材 料。解:1、計(jì)算變壓器的額定容量S 1 )選擇副邊容量 S2=U2I2+U3I3=700

16、(V A) 2)計(jì)算原變?nèi)萘?S1=S2/r根據(jù)表 1:小型單相變壓器的效率 刀的估算值可以取刀=0.90因此，S1=S2/ n =900/0.90=778V -A) 3)計(jì)算變壓器的額定容量4)SN=1/2(S1+S2)=0.5*(700+778)=739(V A) 考慮到存在著一 定的損耗，故可以定變壓器的額定容量近似取730V - A 2、鐵心尺寸的選定1)計(jì)算鐵心截面積 A A=K0根據(jù)表2.截面積 計(jì)算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.25因此， A=K0=1.25弋33.8 cm2) 鐵心中柱寬度 a與鐵疊厚b的計(jì)算 艱據(jù)表3.參數(shù)a、b的選取可以近似取a=50(mm)因此，b=K*

17、A/a=1.1*3380/50=74.36(mm) 驗(yàn)證 b /a=1.5 滿足 b = (1.22) a的通常要求。計(jì)算繞組線圈匝數(shù) 求由每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) N0=N/E=108/4.44fBmA=450000/ABm=450000/(33.8*11000)= 1.2匝/V式中的Bm=11000高斯(鐵心材料為一般硅鋼片) 根據(jù)N0和各線圈額定電壓求由各線圈的匝數(shù)，由于考慮到 增加5%匝數(shù)補(bǔ)償負(fù)載壓降。N1=N0U1=1.2*220=264匝N2=(1.051.10)N0U2=1.05*1.2*800=1008匝N3=(1.051.10)N0U3=1.05*1.2*1000=1260匝 計(jì)算

18、導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j. 選取電流密度 j=1.5 安/毫米 2 I1=(1.11.2)S1/U1=1.1*778/220=3.89A Ac1=I1/j=3.89/1,5=2.6 查表14-15得Q型漆包線漆膜的直徑d1=1.81mm d1 =1.90mm 同理：Ac2= 0.33 d2= 0.20mm d2 =0.225mm Ac3= 0.2 d3= 0.16mmd3 =0.18mm根據(jù)所求解的數(shù)據(jù)；可以取原邊的材料為高強(qiáng)度 聚酯包線 QZ0.12副邊材料為高強(qiáng)度聚酯包線QZ0.05復(fù)核電流密度j=5/3.3=1.5在(1.2-3)范圍內(nèi) 根據(jù)繞組尺寸核算 窗口面積c a b

19、h由圖可知鐵心窗口高 h=75毫米，可求得各 繞組每層繞制匝數(shù)：N1 =0.9h (24)/d1 = 0.9(75-2)/1.90=34.6 Q35) N2 =0.9h (24)/d2 = 0.9(75-2)/0.225=292 (匝)N3 =0.9h - (24)/d3 = 0.9(75 2)/0.18=365 (匝)各繞組所繞層數(shù)：M1=N1/N1=264/35=7.54 弋8 層M2=N2/N2=1008/292=3.45 / M3=N3/N3 =1260/365=3.5 MM 各繞 組的排布中絕緣墊選用如下：對(duì)地(鐵心)絕緣用兩層電纜紙(0.07毫米)加一層黃蠟紙(0.14毫米)厚度：

20、r=2*0.07+0.14=0.28 毫米 繞組絕緣：與對(duì)地(鐵心)絕緣相同繞組層間絕緣：一次側(cè)繞組較細(xì)用百玻璃紙一層6 1=0.04毫米 二次側(cè)繞組較粗用電纜紙一層6 2=0.07毫米繞組框架用彈性紙1毫米厚，外包對(duì)地絕緣共厚 1+0.28=1.28毫米一次總厚度B由下 公式可得 B=（B0+B1+B2）=1.28+M1（d1+ 8 1）+r+M2（d2+ 8 2）+r+M3（d3 +8 3）+r*1.1=21.7 毫米 此繞組寬度小于窗 口寬度c=25毫米，此方案可行。五、變壓器實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的對(duì)照容量（伏安）一次側(cè)電壓=220伏鐵芯截 面積S （厘米2）每伏需繞匝數(shù)（匝 /伏）參考鐵

21、芯尺寸（毫米）電 流（安）裸導(dǎo)線直徑 （毫 米）10000高斯 中心柱寬*迭厚a*b （毫米）A H c h j=2 （安/ 毫米 2） 518 2.35 1.23 28.5 1.6 45X73 161 138.5 29 80.5 575 2.61 1.29 29.8 1.55 45 76 161 138.5 29 80.5 600 2.72 1.33 30.5 1.5 50 70 178 153 32 89 700 3.18 1.43 32.8 1.4 50 75 178 153 32 89 781 3.55 1.50 34.5 1.3 5079 178 153 32 89 容量 7783.

22、89 1.81（j=1.5） 33.8 1.2（ 11000 高斯）50 >68 150 125 25 75 六、結(jié)論 本次的課程設(shè)計(jì)以電機(jī)與拖動(dòng)，我們的教材為主線，我們基本能按照設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書、技術(shù)條件的要 求進(jìn)行。通過上面的設(shè)計(jì)可知：一般的小容量單相變壓器的計(jì)算內(nèi)容有四種部分：容量的確定；鐵心尺寸的確定；繞組的計(jì)算；繞組排列及鐵 心尺寸的最后確定。變壓器的效率80%95% 。對(duì)小容量變壓器應(yīng)考慮內(nèi)部壓降，為使在額定負(fù)載時(shí)二次 側(cè)有額定電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾佣蝹?cè)繞組匝數(shù)，約增加 5%10%的匝數(shù)。通過銅損的測(cè)定可知，小型變壓器的的質(zhì)量可以從他的 空載損耗和短路損耗判斷由來，越小越好，同

23、時(shí)工作溫度也 會(huì)低，并有很好的負(fù)載，通過空載電流的測(cè)定，鐵損較大 的變壓器，發(fā)熱量大，安培匝數(shù)設(shè)計(jì)要是不合理，空載電流 會(huì)大增，就會(huì)造成溫升增大，有損壽命。單相變壓器是具有兩個(gè)線圈的變壓結(jié)構(gòu)：變壓器主要是由鐵心和繞組組成：1鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵心分鐵心柱和鐵軌兩部分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是 聯(lián)系兩個(gè)鐵心柱的部分。2變壓器繞組構(gòu)成設(shè)備的內(nèi)部電路，它與外界的電網(wǎng)直接相接，是變壓器中最重要的部件，常把繞組比做變壓器的核 心。七、 心得體會(huì) 一周的時(shí)間很快就要過去了，本次的課 程設(shè)計(jì)我是以電機(jī)與拖動(dòng)教材為主要參考主線，我基本 能按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，參考了大量的復(fù)習(xí)資料，用大量的時(shí) 間圖書館中查閱資料。在設(shè)計(jì)過程中我認(rèn)真理解并掌握了每一個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn), 就是在掌握這些知識(shí)點(diǎn)的前提下，我才能有這個(gè)規(guī)范的設(shè) 計(jì)。在此次的設(shè)計(jì)中，我感受了同學(xué)們認(rèn)真完成課程設(shè)計(jì)的態(tài) 度和熱情。設(shè)計(jì)中，同學(xué)們積極交流，戰(zhàn)由設(shè)計(jì)中的不足，完善提高 自己的作品質(zhì)量。從無形之中增加了同學(xué)們之間的凝聚力。大家積極合作，共同提高。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，我感到自己學(xué)到的知識(shí)十分有 限，所以查閱了大量書籍，通過這次系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，我的知識(shí) 增長(zhǎng)了很多，更深刻地了解有關(guān)變壓器的知識(shí)，同時(shí)也