變壓器設(shè)計(jì)剖析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上變壓器設(shè)計(jì)電氣工程及其自動化1略2.1 必做題2.1.1 設(shè)計(jì)題目及任務(wù)分工1.題目：設(shè)計(jì)一臺三相配電變壓器，與該變壓器相匹配的數(shù)據(jù)如下所示：容量：63kVA； 額定電壓：10±5%/0.4kV；額定頻率：50Hz； 相數(shù)：3聯(lián)接組別：Y, yn0； 冷卻方式：ONAN短路阻抗：4% 短路損耗：1040W空載損耗：200W 絕緣等級：H級效率：在功率因數(shù)cos為0.81（滯后）的滿負(fù)載時(shí)為95%執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：GB200522006 三相配電變壓器能效限定值及節(jié)能評價(jià)值2.任務(wù)分工：張胤杰，分層匝數(shù)的確定，導(dǎo)線的選擇，阻抗計(jì)算，指標(biāo)優(yōu)化以及MATLAB編程。米淵，

2、負(fù)載損耗、空載損耗、以及鐵芯重鐵軛重的計(jì)算。潘磊，變壓器直徑的確定以及硅鋼片的選擇。 2.1.2 設(shè)計(jì)思路變壓器主要由鐵芯、繞組和其他部件組成，它的技術(shù)參數(shù)主要包括：產(chǎn)品型號、額定容量、電壓組合、繞組聯(lián)結(jié)組標(biāo)號、電壓分接范圍及級數(shù)、短路阻抗、空載損耗、負(fù)載損耗等。變壓器設(shè)計(jì)主要包括電磁計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，電磁方案計(jì)算以及優(yōu)化參照相關(guān)國家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)（GB200522006），經(jīng)設(shè)計(jì)人員運(yùn)用有關(guān)的理論和相關(guān)指導(dǎo)書的計(jì)算方法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，確定變壓器鐵芯直徑、線圈匝數(shù)、導(dǎo)線規(guī)格、導(dǎo)線纏繞方式等主要參數(shù)，并計(jì)算變壓器主要結(jié)構(gòu)尺寸及性能指標(biāo)，使變壓器性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)思路如下： （1）計(jì)算額定電壓

3、和額定電流三相變壓器的聯(lián)結(jié)組別的不同，線電壓U1、相電壓Up及線電流I1、相電流Ip之間的關(guān)系也不同。該變壓器高低壓均為Y聯(lián)結(jié)，因此U1=Up，I1=Ip。 （2）確定鐵芯直徑鐵芯是變壓器的磁路部分，是能量轉(zhuǎn)換的媒介。選取合適的鐵芯直徑，可以在符合其性能參數(shù)（短路阻抗、負(fù)載損耗、空載損耗等）和滿足制造工藝的情況下，做到用銅、用鐵量均衡，主材成本最少。 （3）計(jì)算繞組數(shù)據(jù)本設(shè)計(jì)產(chǎn)品為63kVA小型配電變壓器，低壓繞組結(jié)構(gòu)選擇為偶數(shù)層圓筒式線圈，高壓繞組結(jié)構(gòu)選擇為多層圓筒式線圈，并確定高低壓繞組匝數(shù)、選擇導(dǎo)線及計(jì)算線圈尺寸、計(jì)算繞組電阻及導(dǎo)線重量。 （4）計(jì)算鐵芯數(shù)據(jù)根據(jù)前面算出的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的計(jì)

4、算公式求得鐵芯窗高及鐵芯重和鐵軛重。 （5）核算變壓器短路阻抗將算出的短路阻抗值同短路阻抗標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若在誤差允許范圍內(nèi)（一般為10%左右），則說明設(shè)計(jì)方案符合規(guī)定，否則回到重新計(jì)算，直到符合要求為止。 （6）核算變壓器其它參數(shù)變壓器其他參數(shù)包括負(fù)載損耗、空載損耗及繞組對油溫升，其中繞組對油溫升在計(jì)算過程中略微復(fù)雜。2.1.3 計(jì)算流程圖圖1 計(jì)算流程圖2.1.4 設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）匝數(shù)及匝數(shù)分配的確定根據(jù)下式計(jì)算初選匝電勢et：et=B×At/45鐵芯柱磁通密度B的選擇關(guān)系到變壓器的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。由于鐵磁材料的飽和特性，如果B的選取值過高，將導(dǎo)致變壓器的空載損耗、空載電流

5、、噪聲以及空載合閘電流過大；但如果選取值過低，則使變壓器的鐵芯和線圈的材料消耗量增多，導(dǎo)致變壓器的重量和制造成本也將相應(yīng)的增加。經(jīng)驗(yàn)證明：對于油浸式變壓器，采用熱軋硅鋼片時(shí)，B取1.41.45T，冷軋硅鋼片一般取1.61.73T。本設(shè)計(jì)中硅鋼片采用冷軋硅鋼片，并且初選磁通密度為1.7T，算得et=3.348V/匝。高低壓側(cè)繞組匝數(shù)根據(jù)W=Up/et，算得低壓側(cè)匝數(shù)為68.79匝，按要求取整，因此為68匝，所以需要調(diào)整B的大小。因此，最終的B為1.72T，以及et=3.397 V/匝。同理可知，高壓側(cè)最大分接1785匝，額定分接為1700匝，最小分接為1615匝。匝數(shù)分配：低壓側(cè)為4層（小型配電

6、變壓器一般為偶數(shù)層），每層17匝；高壓側(cè)繞組為14層，內(nèi)線圈4層，外線圈為10層，層最大匝數(shù)為130匝。 （2）導(dǎo)線的選擇根據(jù)高低壓電流大小電流密度公式選用標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)。電流密度計(jì)算公式為J=Ip/A,對銅線一般為23.5A/mm2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)一個電流密度，然后計(jì)算導(dǎo)線面積A，并根據(jù)導(dǎo)線面積選取導(dǎo)線規(guī)格（線規(guī)），并在計(jì)算過程中對線規(guī)進(jìn)行調(diào)整。低壓側(cè)線規(guī)：ZB-0.45（2.26Í12.5/2.71Í12.95）,截面積27.8mm2,電流密度3.271 A/mm2。高壓側(cè)線規(guī)：QQ-2（1.25/1.36）,截面積1.651 mm2，電流密度2.203 A/mm2。導(dǎo)線選定后

7、，根據(jù)繞組層數(shù)和每層匝數(shù)（還要考慮層間絕緣厚度），即可確定繞組軸向和幅向尺寸。一般來說，高低壓繞組高度不應(yīng)相差太多。計(jì)算結(jié)果見表1。 表1 線圈尺寸數(shù)據(jù) 單位：mm類型幅向尺寸軸向高度高壓繞組6.96（內(nèi)）17.76（外）221.05低壓繞組12.28210.66 （3）根據(jù)之前小組成員計(jì)算的空載損耗、負(fù)載損耗、鐵芯重及鐵軛重，便可以計(jì)算出短路阻抗，以及對油溫升，檢驗(yàn)是否滿足國家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。對于短路阻抗，它包含了兩個部分，電抗電壓降與電阻電壓降。一般電阻電壓降很小，對于8000kVA及以上的變壓器可忽略不計(jì)。但是本次課程設(shè)計(jì)的變壓器容量為63kVA，因此需要考慮電阻電壓降。對于對油溫升的計(jì)算，重

8、要的是需要知道一個繞組的有效散熱面積，通過參考書的查閱，對于內(nèi)線柱（內(nèi)有紙筒板）的面積S1=（R1+2R2+2R3+2R4）3mt×H2，而外線柱（無硬紙筒）S2=（R1+R2+R3+R4）3mt×H2，此處的m表示撐條個數(shù)。通過參觀實(shí)習(xí)向?qū)I(yè)人員的詢問，我們了解到對于小型容量的變壓器，不需要撐條，因此在計(jì)算過程中m=0。對于最后的計(jì)算結(jié)果誤差，具體包括短路阻抗、空載損耗、負(fù)載損耗，其誤差都應(yīng)在10%的誤差范圍內(nèi)，這也是本次課程設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果以及結(jié)果優(yōu)化的參考范圍。 （4）指標(biāo)優(yōu)化以及MATLAB編程（見附錄）。2.1.5 計(jì)算結(jié)果表2 變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果硅鋼片牌號高壓側(cè)匝

9、數(shù)低壓側(cè)匝數(shù)短路阻抗（%）30Q1201785/1700/1615684.03鐵芯直徑高壓側(cè)層數(shù)低壓側(cè)層數(shù)空載損耗P0(W)11514(4/10)4213.4磁通密度（T）高壓側(cè)每層匝數(shù)低壓側(cè)線規(guī)（mm）負(fù)載損耗Pk（W）1.721302.26Í12.51082.3硅鋼片重（kg）高壓側(cè)線規(guī)（mm）低壓側(cè)電流密度（A/mm2）低壓側(cè)繞組溫升（K）129.171.253.27121.02窗高（mm）高壓側(cè)電流密度（A/mm2）低壓側(cè)線重（kg）高壓側(cè)繞組溫升（K）2522.20322.0921.84中心距（mm）高壓側(cè)線重（kg）主空道(mm)22748.477.5設(shè)計(jì)的MATLAB程

10、序及運(yùn)行結(jié)果見附錄一。2.2 選做題2.2.1 題目感應(yīng)電機(jī)軸零件如截圖2所示，按照CAD工程圖繪制過程繪制該模型的左視圖及剖視圖。圖2 電機(jī)軸截圖2.2.2設(shè)計(jì)思路分析根據(jù)給定試圖可以分析，該感應(yīng)電機(jī)軸零件的左視圖是兩個圓，外環(huán)圓的直徑為60mm，內(nèi)環(huán)園的直徑為40mm，并且兩個圓為同心圓。對于剖面圖而言，根據(jù)給的圖判斷該感應(yīng)電機(jī)軸零件為實(shí)心，所以剖面圖用斜線表示，并且該剖面圖可以理解為3個矩形組成，第一個為100mm×40mm，第二個為200mm×60mm，第三個為50mm×40mm。并且在剖面圖直角處需要畫為倒角，而在交接處的直角需要畫成圓角感應(yīng)電機(jī)軸零件C

11、AD工程圖如附錄二所示。3 總結(jié)通過這一次的親身參與變壓器的設(shè)計(jì)，讓自己對變壓器有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，并且在遇到實(shí)際問題后，自己能夠主動查閱有關(guān)資料并且向老師提問，及時(shí)解決問題。通過學(xué)院安排的參觀活動，我們組隊(duì)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了一個更加直觀的認(rèn)識，因此在計(jì)算過程中，對于公式中變量的含義也有了更好的認(rèn)識，加快了我們的設(shè)計(jì)進(jìn)程。由于之前并沒有對MATLAB有過專門的學(xué)習(xí)，這次的編程也只是停留在了初步階段，好多的優(yōu)化計(jì)算的方法自己并沒有完全掌握，其中也有時(shí)間短的原因，這也是這次設(shè)計(jì)中自己一個小小的遺憾，但是我們通過調(diào)用data函數(shù)來實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化計(jì)算。這次設(shè)計(jì)，我們班的同學(xué)都是在摸索中前進(jìn)，但是我們互相

12、幫助，互相討論，對于大家都不理解的地方進(jìn)行了集中討論，把大家的智慧凝聚起來，讓我們的問題能夠得到較快的解決，也按時(shí)完成了這次課程設(shè)計(jì)。最后，感謝老師在我們這次課程設(shè)計(jì)中對我們的幫助，向我們提供了寶貴的資料，讓我們能較好地完成這次課程設(shè)計(jì)。4 參考文獻(xiàn)1 姜宏偉,王永林.計(jì)算機(jī)輔助電機(jī)設(shè)計(jì)M.北京:中國電力出版社,2009.2 楊莉,戴文進(jìn)等.電機(jī)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐M.北京:清華大學(xué)出版社,2013附錄一 變壓器設(shè)計(jì)MATLAB程序1 MATLAB程序%第一部分 額定數(shù)據(jù)%Sn=63000;f=50;cos_phi=0.81;m=3;U1N=10000;U1N_x=U1N/sqrt(3);I1N=S

13、n/(sqrt(3)*U1N);I1N_x=I1N;U2N=400;U2N_x=U2N/sqrt(3);I2N=Sn/(sqrt(3)*U2N);I2N_x=I2N;Sz=Sn/m;data1;fprintf('計(jì)算出來的高低側(cè)電流參數(shù)為：%c %cn',I1N_x,I2N_x);%第二部分 鐵芯直徑數(shù)據(jù)%D=9.6*sqrt(sqrt(Sz);D=floor(D);At=88.9;%查表%G0=16.0;%查表%B=1.7;Et=B*At/45;Wd=U2N_x/Et;Wd=floor(Wd);Et=U2N_x/Wd;B=45*Et/At;Wgmax=1.05*U1N_x/E

14、t;Wg=U1N_x/Et;Wgmin=0.95*U1N_x/Et;Wgmax=round(Wgmax);Wg=round(Wg);Wgmin=round(Wgmin);Cd=4;Cgn=4;Cgw=10;Zd=Wd/Cd;Zg=130;fprintf('計(jì)算出來的鐵芯直徑為: %dn',D);fprintf('計(jì)算出來的磁通密度為: %cn',B);fprintf('計(jì)算出來的高壓匝數(shù)為: %d %d %dn',Wgmax,Wg,Wgmin);fprintf('計(jì)算出來的低壓匝數(shù)為：%dn',Wd);%第三部分 導(dǎo)線選擇及線圈尺

15、寸數(shù)據(jù)%Jd=3.271;Jg=2.203;Ad=I2N_x/Jd;Ag=I1N_x/Jg;DZBk1=DZBk+0.45;DZBh1=DZBh+0.45;jd=0.9;jg=0.06;Fd=DZBh1*Cd+0.08*3*3;ZXd=DZBk1*Zd+jd*(Zd+1);Fgn=GQQ1*Cgn+0.08*3*(Cgn-1);Fgw=GQQ1*Cgw+0.08*3*(Cgw-1);ZXg=GQQ1*Zg+(Zg+1)*jg;fprintf('計(jì)算出來的高低壓側(cè)電密為: %c %cn',Jg,Jd);fprintf('計(jì)算出來的高低壓側(cè)線規(guī)為： %c %c*%cn

16、9;,GQQ,DZBh,DZBk);%第四部分 絕緣半徑數(shù)據(jù)%Det1=5;Det2=7.5;Det3=3.5;Det4=7;r=D/2;b1=Fd;b2_=Fgn;b2=Fgw;rdn=r+Det1;rdw=rdn+b1;rgn1=rdw+Det2;rgw1=rgn1+b2_;rgn2=rgw1+Det3;rgw2=rgn2+b2;M0=2*rgw2+Det4;M0=round(M0);R1=(rdn+rdw)/2;R12=(rdw+rgn1)/2;R2_=(rgn1+rgw1)/2;R2=(rgn2+rgw2)/2;fprintf('計(jì)算出來的中心距為：%dn',M0);f

17、printf('計(jì)算出來的主空道為: %dn', Det2);%第五部分 繞組電阻及導(dǎo)線重量數(shù)據(jù)%Lpd=2*pi*R1/1000;Ld=Lpd*Wd;Lpg1=2*pi*R2_/1000;Lpg2=2*pi*R2/1000;Lgn=Zg*Cgn*Lpg1+(Wg-Zg*Cgn)*Lpg2;Lg_=Zg*Cgn*Lpg1+(Wgmax-Zg*Cgn)*Lpg2;Gxd=3*Ld*Ad*8.9/1000;Gxg=3*Lg_*Ag*8.9/1000;Gxd_=Gxd*1.02;Gxg_=Gxg*1.0183;Gdx=Gxd_+Gxg_;Ru75=0.02135;Rd75=Ru75*

18、Ld/Ad;Rg75=Ru75*Lgn/Ag;fprintf('計(jì)算出來的高低壓側(cè)線重為：%c %cn',Gxg_,Gxd_);%第六部分 鐵芯數(shù)據(jù)%H0=ZXg+41;H0=round(H0);Rug=7650;Gz=3*Rug*H0*At/;Ge=4*Rug*M0*At/+G0;G=Gz+Ge;fprintf('計(jì)算出來的鐵芯窗高為：%dn',H0);fprintf('計(jì)算出來的硅鋼片重為: %cn',G);H=(ZXg-GQQ1)+(ZXd-DZBk1)/2;r1=rdn+b1/2;r2=rgw1+(b2_+b2+Det3)/2;r12=r

19、gn1+Det2/2;r22=rgn2+Det3/2;w=(Wg-4*130)/Wg;cgmD=(b1*r1+(b2_+b2)*r2)/3+Det2*r12+Det3*w2*r22)/100;Lmt=rgw2-rdn;HL=H/Lmt;Ru=0.955;%查表%k=0.96;ux=(49.6*f*I1N_x*Wg*cgmD*Ru*k)/Et/H/100;Prg=m*I1N_x2*Rg75;Prd=m*I2N_x2*Rd75;Pr=Prg+Prd;fprintf('計(jì)算出的負(fù)載損耗為：%cn',Pr);ur=(Pr/(10*Sn/1000)/100;uk=sqrt(ux2+ur2);fprintf('計(jì)算出的短路阻抗為：%cn',uk);Kp0=1.4;Phex=1.18;Phee=1.18;P0=Kp0*(Phex*Gz+Phee*Ge);fprintf('計(jì)算出的空載損耗為：%cn',P0);%第七部分 溫升計(jì)算%K=0.065;n=0.8;A1=pi*ZXd*(rdn