課程設(shè)計(jì)小型單相變壓器的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 題 目： 小型單相變壓器的設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)電動(dòng)力與信息工程系 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、 設(shè)計(jì)題目：小型單相變壓器的設(shè)計(jì)。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)小型單相變壓器。三、 設(shè)計(jì)計(jì)劃：1.查閱相關(guān)資料。 2.確定設(shè)計(jì)方案。 3.進(jìn)行設(shè)計(jì)并定稿。4.進(jìn)行可行性分析。四、 設(shè)計(jì)要求：安全可靠，技術(shù)領(lǐng)先，投資合理，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，運(yùn)行高效。所以，本次設(shè)計(jì)應(yīng)該體現(xiàn)統(tǒng)一性，適應(yīng)性，先進(jìn)性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性。指導(dǎo)教師：教研室主任：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定 表學(xué)期20122013年度第一學(xué)期姓名專(zhuān)業(yè) 電氣工程班級(jí)課程名稱(chēng)電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)題目

2、小型單相變壓器的設(shè)計(jì)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20 理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書(shū)寫(xiě)規(guī)范性10工作量10總成績(jī)100評(píng)語(yǔ)：任課教師徐 建 華時(shí)間 年 月 日備 注· 摘 要電，現(xiàn)今社會(huì)已經(jīng)近乎于主導(dǎo)地位的潔凈能源，還在繼續(xù)提高著自己的位置。圍繞著它所展開(kāi)的學(xué)術(shù)研究也一天天的多了起來(lái)，針對(duì)著世界能源緊缺這個(gè)不可回避的問(wèn)題，人們把希望寄托到了電的身上。它的產(chǎn)生方式很多，這就為它能多方式的產(chǎn)生打下了基礎(chǔ)，如水能、風(fēng)能等不好利用的能源，都能被合理的轉(zhuǎn)化成電能，可見(jiàn)電的發(fā)展前景是很廣闊的。發(fā)電、變電、用電，很多課題都已經(jīng)大規(guī)模的展開(kāi)，變壓器也是其中一門(mén)很重

3、要的學(xué)科。 變壓器是一種靜止的電器，他廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)及測(cè)量、控制和一些特殊的用電設(shè)備上。 目 錄1鐵心.61.1鐵心 .61.2鐵心用硅鋼片71.3鐵心常見(jiàn)故障82線圈.82.1變壓器線圈的作用 822線圈的繞組形式.83其他部分.93.1二次側(cè)總?cè)萘?93.2一次側(cè)繞組的容量 103.3變壓器額定總量103.4一次電流的確定104心得體會(huì).16 5參考文獻(xiàn)17一：鐵心     1：鐵心的作用和形式鐵心是變壓器的基本部件，由磁導(dǎo)體和夾緊裝置組成，所以它有兩個(gè)作用。      在原理上，鐵心的磁導(dǎo)體是變壓器的磁路

4、。它把一次電路的電能轉(zhuǎn)為磁能，又由自己的磁能轉(zhuǎn)變?yōu)槎坞娐返碾娔?，是能量轉(zhuǎn)換的媒介，磁導(dǎo)體是鐵心的主體。    在結(jié)構(gòu)上，鐵心的夾緊裝置不僅使磁導(dǎo)體成為一個(gè)機(jī)械上完整的結(jié)構(gòu)，而且在其上面套有帶絕緣的線圈，支持著引線，幾乎安裝了變壓器內(nèi)部的所有部件，所以它又是變壓器的骨架。       鐵心的重量在變壓器各部件中占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在干式變壓器中占總重量的60左右，在油浸式變壓器中由于有變壓器油和油箱，重量的比例才下降約占40。       變壓器的鐵心（即磁導(dǎo)體）是框形閉合結(jié)構(gòu)。其中，套線圈的部分稱(chēng)

5、心柱，不套線圈只起閉合磁路的部分稱(chēng)鐵扼。       鐵心分為兩大類(lèi)，不套線圈只起閉合磁路的部分稱(chēng)鐵扼。       鐵心分為兩大類(lèi)，殼式鐵心和心式鐵心。鐵扼包圍了線圈的稱(chēng)為殼式鐵心，否則稱(chēng)心式鐵心，由帶狀硅鋼片卷繞而成的稱(chēng)卷鐵心。       殼式鐵心一般是水平放置的，心柱截面為矩形，每相有兩個(gè)旁扼，殼式鐵心的優(yōu)點(diǎn)是鐵心片規(guī)格少，心柱截面大而長(zhǎng)度短，夾緊和固定方便，漏磁通有閉合回路，附加損耗小，易于油對(duì)流散熱。缺點(diǎn)是線圈為矩形，工藝特殊，絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，短路能力差，尤其是硅鋼

6、片用量多。             心式鐵心的優(yōu)缺點(diǎn)正好與殼式相反，殼式和心式兩種結(jié)構(gòu)各有特色，很難斷定其劣式。但由其絕緣所決定的制造工藝則大有區(qū)別，一旦選定了某一種結(jié)構(gòu)，就很難轉(zhuǎn)而生產(chǎn)另一種結(jié)構(gòu)。正由于這個(gè)原因，國(guó)內(nèi)都采用心式鐵心，只有在小容量的單相變壓器及特殊用途的變壓器中采用殼式鐵心。       心式鐵心一般有單相二柱式，單相單柱旁扼式疊鐵心。       單相二柱旁扼式疊鐵心（四柱鐵心）（C）,三相三柱（B），三相五柱式（C） 

7、;派生出的還有，輻射式，Y型，卷鐵心等。       2：鐵心用硅鋼片      鐵心用材質(zhì)是電工硅鋼片是在煉剛時(shí)加入（35）左右的硅，從而提高了鋼片的導(dǎo)磁率和電阻率，減少了鋼片中的磁滯損耗和渦流損耗，這種材料由于軟磁特性好而用于電工產(chǎn)品中，所以稱(chēng)為硅鋼片。      硅鋼片表面具有雙面耐熱絕緣層，多采用磷酸鹽涂層，每層厚度不超過(guò)3-4um，即使經(jīng)退火處理，絕緣膜仍不致破壞，在壓力為5kg/cm2的情況下，雙面絕緣層表面電阻不小于7052cm2對(duì)變壓器鐵心做片間絕緣不需再另涂絕緣層。此

8、絕緣膜為透明的灰色。      硅鋼片的厚度一般為0.28-0.5mm或更薄一些（0.23，0.27）我國(guó)冷扎硅鋼片的厚度一般為0.35，0.3和0.27mm三種，0.3mm用的比較普遍，做薄的目的是為了限制硅鋼片的渦流損耗。此外，硅鋼片的渦流也產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)要減弱主磁場(chǎng)，硅鋼片邊緣的渦流磁場(chǎng)較中間弱，因此造成磁通絕大部分沿表面通過(guò)，片中間部分實(shí)際上不起導(dǎo)磁的作用，因此硅鋼片越薄電磁性能越好，但太薄時(shí)，在相同鐵心柱直徑情況下，鐵心疊片系數(shù)減小，有效截面積相應(yīng)降低，空載損耗增大，此外鐵心制造時(shí)片數(shù)增多，工時(shí)增加，經(jīng)濟(jì)效果也差，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前認(rèn)為冷扎硅鋼片

9、厚度在0.28-0.35 mm范圍內(nèi)較為合適。      電工鋼片有熱扎和冷扎兩種，熱扎的磁性能差，磁通密度只能達(dá)到1.5T-1.6T,而單位損耗P15/50卻大于208W/KG已不采用，冷扎電工鋼片磁飽和點(diǎn)較高，磁密在時(shí)才開(kāi)始飽和。      磁性能好，飽和Bt高，單位損耗和單位勵(lì)磁容量小?，F(xiàn)變壓器均采用此材料（如果橫著軋制方向損耗將大三倍左右）片號(hào)中符號(hào)DW-冷扎無(wú)取向硅鋼片；DQ冷扎取向硅鋼片；高磁密取向硅鋼片；符號(hào)后數(shù)字單位損耗值的100倍（DW為P15/50的100倍，DQ為P17/50的100倍）；橫線

10、后數(shù)字厚度mm的100倍，如DQ120G-30  30Q140。     現(xiàn)還有經(jīng)激當(dāng)處理的高導(dǎo)磁硅鋼片，型號(hào)為ZDKH，通過(guò)激光束掃描照射，此疇變細(xì)，進(jìn)一步降低了鐵心的空載損耗，一般可降PO(7-13)%;非晶合金材料（金屬玻璃，其厚度更薄，損耗更低（約定冷扎晶粒取向的20-25）      3鐵心常見(jiàn)故障1>鐵心噪音大2>空載損耗，空載電流大3>多點(diǎn)接地和局部過(guò)熱二：線圈     1.變壓器線圈的作用      線圈是變壓器輸入和輸出

11、電能的電氣回路，是變壓器的基本部件，它是由銅鋁的圓扁導(dǎo)線繞制，再配置各種絕緣件組成的。      因變壓器容量和電壓不同，線圈所具有的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)亦各不相同，這些特點(diǎn)是匝數(shù)，導(dǎo)線截面，并聯(lián)導(dǎo)線換位，繞向，線圈連接方式和形式等。      線圈必須具有足夠的電氣強(qiáng)度，耐熱強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度，以保證變壓器可靠運(yùn)行。      因我國(guó)生產(chǎn)的電力變壓器絕大多數(shù)都是心式變壓器，線圈一般采用圓柱形的同心式結(jié)構(gòu)      2線圈繞組的型式三：其他部分如繼電器、高低壓套管、分接開(kāi)關(guān)等等。工頻小容量變

12、壓器（1000V·A以下）單相變壓器在控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。一般的一次小容量單相變壓器一次側(cè)有一種電壓，而二次側(cè)有幾種電壓 。計(jì)算內(nèi)容有四部分：容量的確定；鐵心尺寸的選定；繞組（線圈）的計(jì)算；繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。下面是各參數(shù)的計(jì)算方法和本設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算：1、二次側(cè)總?cè)萘啃∪萘繂蜗嘧儔浩鞫蝹?cè)為多繞組時(shí)，若不計(jì)各繞組等效阻抗及負(fù)載阻抗的幅角之差別?？梢哉J(rèn)為輸出總視在功率為二次側(cè)各繞組輸出視在功率之代數(shù)和，即 （1.31）式中 ，···, 二次側(cè)各繞組電壓的有效值（V）; ,···,-二次側(cè)各繞組的負(fù)載電流有效值

13、（A）;設(shè)計(jì)計(jì)算：二次側(cè)容量為23.5W。2、一次側(cè)繞組的容量 對(duì)于小容量變壓器，不能認(rèn)為繞組的容量等于二次側(cè)繞組的總?cè)萘?，因?yàn)榭紤]到變壓器中有損耗，所以一次側(cè)繞組的容量應(yīng)為： （單位為V·A） (1.3-2)式中 -變壓器的效率，約為0.8到0.9，設(shè)計(jì)計(jì)算：一次側(cè)繞組容量為29.4W，其中效率取80%。參看表A-1所給的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。表A-1 小容量變壓器計(jì)算參考數(shù)據(jù)變壓器容量S/V·A磁通密度/0.0001T效率（%）電流密度j/（A/m）鐵心計(jì)算中的K值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008

14、000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.1 3、變壓器的額定容量 變壓器的額定容量取一、二次繞組容量的平均值，即 （單位為V·A） (1.3-3) 設(shè)計(jì)計(jì)算：額定容量為26.44V·A 4、一次電流的確定 I=(1.11.2) (1.3-4)式中1.1-1.2-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)。設(shè)計(jì)計(jì)算得： 1.1-1.2）=0.14 二、鐵心尺寸的選定 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

15、圖A-2所示。圖A-2 小型變壓器硅鋼片尺寸 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） (1.3-5)式中 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可參考表A-2選用。計(jì)算心柱截面積后，就可確定心柱的寬度和厚度，根據(jù)圖A-2可知 （1.36）式中 a心柱的寬度（cm）; b心柱凈疊厚（cm）; 心柱的實(shí)際厚度（cm）; 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少所引起的。對(duì)于0.5mm厚、兩面涂漆的熱軋硅鋼片，=0.93; 對(duì)于0.35mm厚、兩面涂漆的冷軋硅鋼片，=0.91；對(duì)于0.35mm厚、兩面涂漆的冷軋硅鋼片，=0.92；對(duì)于0.35mm厚、不涂漆的冷軋硅鋼片，=0

16、.95。 按A的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取=1.2-2,并盡可能選用的硅鋼片尺寸。表A-2列出了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表A-2 小型變壓器通用的硅鋼片尺寸 （單位：mm）achAH137.52240341692450401910.530605022113366552512.537.57562.52814428470321648968038195711495442266132110502575150125582884168140643296192160設(shè)計(jì)計(jì)算：計(jì)算鐵心截面 =10.28 m式中， 按表A-1取2. a=29.3cm 按表A-1選用a=32mm的硅鋼片，則

17、40.3mm取=48mm，硅鋼片尺寸，=1.31。由表A-2查得 C=14mm h=42mm A=84mm H=70mm二、繞組的計(jì)算繞組的計(jì)算內(nèi)容為確定各繞組匝數(shù)與導(dǎo)線直徑及選擇導(dǎo)線。1、 計(jì)算每伏匝數(shù) 從變壓器的電動(dòng)勢(shì)公式E=4.44fN=4.44fNA;若頻率f=50Hz,可得出每伏的匝數(shù) = （A-7）式中 -心柱的磁通密度最大值，單位是特斯拉。對(duì)于普通的熱軋鋼片可參考表A-1選用。每伏匝數(shù) =52、 根據(jù)每伏匝數(shù)計(jì)算各繞組匝數(shù) 一次繞組 = 二次繞組 （1.051.10） （1.051.10） 設(shè)計(jì)計(jì)算：各繞組匝數(shù) =1100 1.05=56 1.05=405對(duì)于小容量變壓器，應(yīng)考慮

18、其內(nèi)部阻抗壓降，為使在額定負(fù)載時(shí)二次側(cè)有額定電壓，適當(dāng)?shù)卦黾佣蝹?cè)繞組的匝數(shù)，約增加5%-10%的匝數(shù)。3、 計(jì)算繞組的導(dǎo)線直徑d及選擇導(dǎo)線 導(dǎo)線截面積 （單位為m） (A-9)導(dǎo)線直徑 （單位為m） (A-10) 按各繞組的負(fù)載電流，選擇導(dǎo)線截面，如選得小，則電流密度大，可節(jié)省材料，但銅耗增加，溫度增高。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)，一般選用j=2-3A/m，短時(shí)工作變壓器取j=4-5A/m.按計(jì)算所得導(dǎo)線截面積和直徑，查表A-3。選取相近截面的導(dǎo)線直徑d，再由表A-4查得帶絕緣的線徑.表A-3 圓導(dǎo)線規(guī)格裸線直徑d/截面積A/m裸線直徑d/截面積A/m

19、裸線直徑d/截面積A/m0.230.04150.250.04910.270.0573表A-4 圓截面漆包線漆膜厚度（單位mm）裸線直徑0.060.140.150.210.230.33導(dǎo)線品種高強(qiáng)度聚酯漆包線QZ0.030.040.05設(shè)計(jì)計(jì)算：不帶絕緣的線徑分別為0.25 mm、0.21 mm、0.31 mm。帶絕緣的線徑分別為0.30 mm、0.25 mm、0.36 mm。四、繞組排列，核算鐵心窗口面積 繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線直徑確定之后，可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為 (A-11)式中 -絕緣導(dǎo)線外徑（）； -鐵心窗高（）； 0.9-考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù)； -考慮裕度的系數(shù)。 各繞組所需層數(shù)

20、為 (A-12)各繞組厚度為 + (A-13)式中 -層間絕緣厚度（），導(dǎo)線較細(xì)（0.2以下），用一層厚度為白玻璃紙，導(dǎo)線較粗（0.2以上），用一層厚度為的電纜紙（或牛皮紙），更粗的導(dǎo)線，可用厚度為0.12的青殼紙；-繞組的絕緣厚度（），當(dāng)電壓不超過(guò)500V時(shí)，可用層黃蠟布等。 繞組間的絕緣度為 (A-14)式中 -繞組框架的厚度（）； -考慮的考慮裕度的系數(shù)。 + + + +繞組的總厚度 計(jì)算所得的繞組總厚度t必須略小于鐵心窗口寬度，若，可加大鐵心疊裝厚度，減少繞組匝數(shù)或重選鋼片尺寸，按上述步驟重復(fù)計(jì)算和核算，至合適時(shí)為止。設(shè)計(jì)計(jì)算：各繞組沒(méi)層匝數(shù)分別為138、166、115。各繞組所需層數(shù)

21、分別為8、1、4。用兩層電纜紙夾一張黃蠟布的方法，各繞組外包厚度分別為0.74 mm 、3.04 mm 、0.51 mm 、1.88。繞組總厚度為6.17C=16 mm 。所以，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)合理，方案可行。既然變壓器是一種長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的電氣設(shè)備，那么就不得不去考慮它的安全性和穩(wěn)定性，以爭(zhēng)取再設(shè)計(jì)的時(shí)候就能很好的改進(jìn)和克服這些問(wèn)題，使變壓器能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，依然能保證很好的安全性和穩(wěn)定性。一：套管引線的安裝問(wèn)題近些年來(lái)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)中小型變壓器在交接和大修之后，做交流耐壓試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部放電現(xiàn)象，跟容易造成事故。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是套管引線方式不對(duì)，造成引線對(duì)變壓器外殼放電。廠家設(shè)計(jì)引線的時(shí)候都是寧長(zhǎng)不短，引

22、線多余處在套管下部絕緣筒外彎折，引線與外殼之間的距離減小，擊穿電壓降低造成的。對(duì)于干式單相變壓器來(lái)說(shuō)，安裝的時(shí)候應(yīng)該從變壓器的觀察孔觀察引線，如果出現(xiàn)彎曲部在管外，應(yīng)該將其盡量往上推，并在變壓器外將引線盡量往上提，直到引線在絕緣筒下不再打彎，再?gòu)奶坠苌厦姘岩€固定，盡量把引線多余部分放在管內(nèi)。如果由于引線上提而使絕緣筒上串，這時(shí)盡量把絕緣筒下拽。二：變壓器絕緣配合與可靠性關(guān)系1絕緣水平是變壓器絕緣可靠性的間接表達(dá)：變壓器規(guī)定絕緣水平和絕緣耐受電壓試驗(yàn)方法的目的是要保證產(chǎn)品在工作電壓的長(zhǎng)期作用下和暫態(tài)過(guò)電壓作用下，有足夠的絕緣耐受能力，可靠地運(yùn)行。2絕緣水平和絕緣故障率：絕緣故障率是直接地、定量

23、地描述變壓器絕緣可靠性的技術(shù)指標(biāo)，GB311.1-83第條件對(duì)計(jì)算絕緣故障率的方法完全引用了IEC標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)摘錄如下：“當(dāng)對(duì)某種過(guò)電壓嚴(yán)格計(jì)算絕緣故障率時(shí)，需要給出此過(guò)電壓及設(shè)備的絕緣性兩者各自的分布率?！笨傮w來(lái)說(shuō)絕緣性能跟絕緣材料性能、溫度高低和潮濕程度有很大關(guān)系，只有設(shè)計(jì)合適的絕緣能力，才能更好的絕緣，保證安全，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。三：安全保護(hù)裝置1斷路器：斷路器同時(shí)承擔(dān)著控制和保護(hù)雙重任務(wù)。2隔離開(kāi)關(guān)與接地開(kāi)關(guān)     隔離開(kāi)關(guān)的具體用途如下：檢修與分段隔離。     接地開(kāi)關(guān)主要用來(lái)保護(hù)檢修工作的安全。     接地開(kāi)關(guān)的分類(lèi)：按安裝場(chǎng)所的不同，分為戶內(nèi)與戶外；按操作方式不同，分為用鉤棒和用操動(dòng)機(jī)構(gòu)；按使用特性不同，分為一般接地開(kāi)關(guān)與快速接地開(kāi)關(guān)。3負(fù)荷開(kāi)關(guān)和熔斷器