小型單相變壓器設(shè)計(jì)與相關(guān)計(jì)算

1、小型單相變壓器設(shè)計(jì)1、小型單相變壓器簡(jiǎn)介變壓器是通過(guò)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。1.1 變壓器的基本結(jié)構(gòu)1、1、1主要組成（1）鐵心為了減少鐵損耗，變壓器的貼心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶體片 制成。其中套有繞組的部分稱為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱為鐵軛，為了 減少磁路中不必要的氣隙

2、，鄉(xiāng)鄰兩層硅鋼片的接縫要相互錯(cuò)開(kāi)。（2）繞組變壓器的繞組用絕緣導(dǎo)線或扁導(dǎo)線繞成，實(shí)際變壓器的高，低壓繞組并 不是分裝在兩個(gè)鐵心柱上，而是同心地套在同一個(gè)鐵心柱上的。為了絕緣的 方便，通常低壓繞組在里面，靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。（3）其他除鐵心和繞組外，因容量和冷卻方式的不同，還需要增加一些其他部件， 例如外油絕緣套等等。1、1、2主要類型按相數(shù)的不同，變壓器可分為單向相變壓器和三相變壓器等。按每相繞組數(shù)量的不同，變壓器可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、 多繞組變壓器和自耦變壓器等。按結(jié)構(gòu)形式的不同，變壓器可分為心式和殼式兩種。心式變壓器的特點(diǎn) 是繞組包圍著鐵心。脆變壓器用鐵量較少

3、，構(gòu)造簡(jiǎn)單，繞組的安裝和絕緣比 較容易，多用于容量較大的變壓器中。殼式變壓器的特點(diǎn)是鐵心包圍繞組。 脆變壓器用銅量少，多用于小容量變壓器中。2、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般有 E型和C型鐵心。變壓器（transformer ）是利用電磁感應(yīng)原理將某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)），另一個(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

4、示。 原繞組匝數(shù)為Ni，副繞組匝數(shù)為N2。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ui，產(chǎn)生電流h， 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) 巴和e2。當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時(shí)，一次側(cè)僅流過(guò)主磁通的電流（i0）,這個(gè)電流稱為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過(guò)負(fù)載電流12時(shí)，也在鐵芯中產(chǎn)生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時(shí)，主磁通是不變的，一次側(cè)就要流過(guò)兩部 分電流，一部分為激磁電流 1 0, 部分為用來(lái)平衡2,所以這部分電流隨著 12變化而變化。當(dāng)電流乘以匝數(shù)時(shí)，就是磁勢(shì)。上述的平衡作用實(shí)質(zhì)上是磁勢(shì)平衡作用，變壓器就是通過(guò)磁勢(shì)平衡 作用實(shí)現(xiàn)了一、二次側(cè)的能

5、量傳遞。2、1電壓變換當(dāng)一次繞組兩端加上交流電壓ui時(shí)，繞組中通過(guò)交流電流h，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。(1-1)(1-2)dt(1-3)(1-4)說(shuō)明只要改變?cè)?、副繞組的匝數(shù)比，就能按要求改變電壓。2、2電流變換變壓器在工作時(shí)，二次電流12的大小主要取決于負(fù)載阻抗模|乙|的大小，而一次電流 11的大小則取決于12的大小。(1-5)又 U1I1 U2I2IiU2I(1-6)I 2 Ui說(shuō)明變壓器在改變電壓的同時(shí)，亦能改變電流。2.3阻抗變換變壓器的二次繞組接有阻抗模|Zl|的負(fù)載時(shí)，若忽略乙，Z2和丨0,貝S|Z l| = U2/I 2 = U/ (K 2*I

6、1)U與I 1之比相當(dāng)于從變壓器一次繞組看進(jìn)去的等效電阻模 |Ze|=k 2|Z1|可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載直接接電源時(shí)，電源的負(fù)載阻抗模為|Zl|，通過(guò)變壓器接電 源時(shí)，相當(dāng)于將組抗模增加到|Zl|的k2倍，在電子技術(shù)中經(jīng)常利用變壓器的這 一阻抗變換作用來(lái)實(shí)現(xiàn)“組抗匹配”2、4電壓比N1一次側(cè)繞組的匝數(shù)；N2二次側(cè)繞組的匝數(shù)。5可 M .u2 e2 n2 血當(dāng)N1 N2時(shí)，Kul，此時(shí)U1 U2.這時(shí)的變壓器稱為降壓變壓器。當(dāng)Niv N2時(shí)，Ku V 1,此時(shí)U1v U2,這時(shí)的變壓器稱為升壓變壓器。3、設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算內(nèi)容有四部分：額定容量的確定；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

7、心尺寸的最后確定。3、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)輸出的功率, 通常用KVA表示。3、1、1 一次繞組的容量對(duì)于小容量變壓器來(lái)說(shuō)，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S2S1=(單位為Va( 3-2)式中S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SvA磁通密度Bm/ X 10 4T效率n( %電流密度j/(A mm2)鐵心計(jì)算中的K0值小于106000700060 703 2.5

8、210 507000800070 802.5 22 1.550 1008000900080 852.5 21.5 1.3100 500900085 902.5 1.51.3 1.2511000500 100011000 90 921.5 1.21.25 1.1120003、1、2二次側(cè)總?cè)萘啃∪萘繂蜗嘧儔浩鞫蝹?cè)為多繞組時(shí)，若不計(jì)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S2 U 2 I 2 U 3 I 3 U n I n（ 3-1 ）式中S 二次側(cè)總?cè)萘浚╒ A）U 2, U 3 ,U n二次側(cè)各個(gè)繞組電壓的有效值（V）；I2,

9、 I3,I n 二次側(cè)各個(gè)繞組的負(fù)載電流有效值（A）。3、1、3確定變壓器的額定容量變壓器的二次容量為勺=U2f2 + U3I3 4+ UnIn式中S2 變壓器二次容量，VAU2、U3Un二次各繞組電壓有效值，v;12、13、In 二次仍各繞組電流有效值.A。變壓器在傳遞功率過(guò)程中，本身存在著鐵損和銅損，故一次容量比二次 容量大。式中n變壓器的效率。n 總是小于1,變壓器的容量越小，n也越小，v的數(shù)值見(jiàn)表1:表1:小容量變壓器效率值二冼容量小于1010-30(VA(VA)SO-MOVAji(VAJ000 u.t0 60.7O.fi0850用0 曲變壓器的額定容量:巳25- 23、2鐵心尺寸的選

10、定3、2、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。其中套有繞組的部分稱為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱為鐵軛，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(kāi)。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 2）。A K o S（3-5）a鐵心柱的凈面積，單位為cmKo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)Ko可取小些截面積計(jì)算系數(shù) Ko表3-2截面積計(jì)算系

11、數(shù)K o的估算值Sn /VAv 10105050 100100 500 500K02 1.751.75 1.51.5 1.351.35 1.251.25 1.0計(jì)算心柱截面積A后，就可確定心柱的寬度和厚度，根據(jù)圖 3可知A ab abKc（3-6）式中 a心柱的寬度（mr）；b心柱的凈疊厚（mr）； b心柱的實(shí)際厚度（mr）；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=o.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

12、a和b的大小，答案是很多的，一般取 b=（1.22.0）a，, 并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-3列出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achAH137.52240341692450401910.530605022113366552512.537.57562.528144284703216489680381957114954422661321105025751501255828841681406432961921603、3繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑.3、3、1計(jì)算每個(gè)繞組的匝數(shù)設(shè)Ni表示變壓器每感應(yīng)1V電動(dòng)勢(shì)所需繞的匝數(shù)，即N =理=1 4.44九A關(guān)于Bm直，不同

13、的硅鋼片是不一樣的，當(dāng)變壓器容量在 100vA以下, 通常冷軋硅鋼片 DW2435、DW2635的Bm取 1.0 1.2T;當(dāng)變壓器容量為 100 一 1000VA時(shí)，Bm可取1.2 1.5T。當(dāng)變壓器容量在100vA以下，熱軋硅 鋼片 DR320-35 DR280-35 DR360-50 DR315-50的 Bm取 0.8 1.0T ;當(dāng)變壓 器容量為 100 1000VA時(shí)，Bm取 1.0 一 1.2T。如果不知道硅鋼片的牌號(hào)，按經(jīng)驗(yàn)可以將硅鋼片扭一扭，如硅鋼片 薄而脆，則磁性能較好（俗稱高硅），Bm可取得大些；若硅鋼片厚而軟，則磁 性能較差（俗稱低硅），Bm直可取得小些。一般 Bm可取在

14、0.7 1.0T之間。設(shè)計(jì)時(shí)二次側(cè)的繞組應(yīng)增加5%的匝數(shù)，以便補(bǔ)償負(fù)載時(shí)的電壓降。3、3、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QC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，貝S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(guò)導(dǎo)線的電流密度J不能過(guò)大，對(duì)于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=2 3A/mr1。對(duì)于連續(xù)工作時(shí)可取 J=2.5A/mm導(dǎo)線的截面積：A=l/j.d 卜 k 1.13 必mm導(dǎo)線的直徑：門 =0.715 1導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計(jì)算，式中：d 原

15、、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單位：mmI 原、副邊各線圈中的工作電流, 單位：A;根據(jù)算出的直徑查電工手冊(cè)或表 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 導(dǎo)、直 線、徑 品、種0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.10.10.20.30.40.60.70.91.72.02.44139226424高強(qiáng)度聚酯漆0.00.00.00.00.00.00.00.10.10.1包線3456789123硅有機(jī)單玻璃0.20.20.20.2絲包線0224硅有機(jī)雙玻璃0.20.20.20.2絲包線57783、

16、4繞組及鐵心尺寸的最后確定。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0.9h (24)Nc d(3-11)式中 d 絕緣導(dǎo)線外徑（mm；h鐵心窗高（mr）；0.9 考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù);（24） 考慮裕度系數(shù)。各繞組所需層數(shù)為Nm 一Nc(3-12)各繞組厚度為ti mi (dii)i=1,2,n(3-13)式中一一層間絕緣厚度（mm,導(dǎo)線較細(xì)（0.2mm以下），用一層厚度為0.020.04mm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0.12m m的青殼紙；繞組間的絕緣厚度（mm,當(dāng)電壓不超過(guò)50

17、0V時(shí)，可用23層電纜紙夾12層黃蠟布等。繞組總厚度為t (t tl t2 tn) (1-11-2)( 3-14)式中t繞組框架的厚度(mr)；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tc,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。4、實(shí)例計(jì)算2U2U3U如上圖所示，取Ui 220V U230VU350V I20.2A13.1A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 SN1)計(jì)算副邊的容量：S2=U22 + U3l3=300*0.2+50*0.1=65( V-A)2)計(jì)算

18、原邊的容量：S色/ n根據(jù)表1 ：小型單相變壓器的效率 n的估算值可以取n =0.82因此，Si S2/ n =65/0.82=79.3( V-A)3)計(jì)算變壓器的額定容量75V-ASn=i/2( Si S2)=0.5* (65+79.3) =72.2( 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2、鐵心尺寸的選定1)計(jì)算鐵心截面積AA=kO Sn根據(jù)表2.截面積計(jì)算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.40因此，A=k0 ：=1.40 75=12.1 (cm22)鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計(jì)算 根據(jù)表3.參數(shù)a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=110*1

19、2.1/28=47.5 mm.此時(shí)b/a=47.5/28=1.7 滿足b=(1.22)a的通常要求3、計(jì)算繞組線圈匝數(shù)1 )求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)N 103450000NAE 4.44fBmABm =3.4 (匝N)式中的Bm=1.1T (鐵心材料國(guó)熱軋硅鋼片)2)根據(jù)N0和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)Ni = Nu 仁3.4*220=748n2= (1.051.10 ) No U2=1.10*3.4*300=1122n3= (1.051.10 ) N0 U3=1.10*3.4*50=1874、計(jì)算導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=l/j.SIl (1.1 1.2) Ui= 1.15*79.3/

20、220=0.415(A)Ac1=0.415/2.5=0.17 mm2=0.715 丨=0.46 mm同理：Ac2=0.08 mm2 d2=0.32 mmQZ0.06畐炮Ac3=0.04 mm2d3=0.23 mm根據(jù)所求解的數(shù)據(jù)：可以取原邊的材料為高強(qiáng)度聚酯包線的材料為高強(qiáng)度聚酯包線QZ0.05五、結(jié)論通過(guò)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%90%。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(guò)銅損的測(cè)定可知

21、，小型變壓器的的質(zhì)量可以從他的空載損耗和短路 損耗判斷出來(lái)，越小越好，同時(shí)工作溫度也會(huì)低，并有很好的負(fù)載，通過(guò)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不分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是聯(lián)系兩個(gè)貼心柱的部分。是變壓器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,中最重要的部件，常把繞組比做變壓器的核心。六、心得體會(huì)這次課程設(shè)計(jì)是我第一次做課程設(shè)計(jì)，通過(guò)這次設(shè)計(jì)，我感覺(jué)到這不僅 是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，更是對(duì)自己實(shí)踐動(dòng)手能力的一種提高。通過(guò) 課程設(shè)計(jì)我有了一些自己的理解，在這里我要對(duì)整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程做一下 簡(jiǎn)單的總結(jié)。選題是畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)端，更是對(duì)自己學(xué)習(xí)東西檢驗(yàn)的一個(gè)見(jiàn)證，同學(xué)們 都會(huì)根據(jù)自己掌握的比較好的知識(shí)段去選擇恰當(dāng)?shù)?、感興趣的題目，這對(duì)于 整個(gè)課程設(shè)計(jì)是否能夠順利進(jìn)行并且獲得好成績(jī)關(guān)系極大。這開(kāi)始的第一步 是具有決定意義的，第一步邁向何方，需要慎重考慮