畢業(yè)設計——5KVA單相變壓器的設計分析

1、 5KVA單相變壓器的設計分析系 部： 精密制造工程系 學生姓名： 王利杰 專業(yè)班級： 數(shù)控11C1學 號： 111021130 指導教師： 屠春娟、居正龍 2014年4月22日聲 明 本人所呈交的 5KVA單相變壓器的設計分析 ，是我在指導教師的指導和查閱相關著作下獨立進行分析研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含其他個人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中作了明確說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 【摘要】變壓器調壓裝置、電源電壓波動、線路電壓損失等變化都可造成用戶電壓不穩(wěn)定，影響用電設備正常工作，此時需調整輸出電壓以保證用戶電

2、壓保持穩(wěn)定。高壓輸電可以使電能集中，從而減小電能在傳輸?shù)臅r候的損耗，但是高壓電對普通家庭用電器以及電路有致命的傷害，所以變壓器就應運而生了。單相變壓器由于損耗小、容量小、重量輕等優(yōu)勢可以方便的深入負荷中心，而具有極強的適用性。本課題主要以單相變壓器為研究對象，首先，介紹了單相變壓器的應用和結構；其次，介紹了單相變壓器的主要設計思路，包括客戶要求、用途分析、材料分析、結構分析；然后，介紹了單相變壓器各個參數(shù)的計算，包括鐵芯、線圈、直流電阻、負載損耗 (115度)、溫升及散熱能力、阻抗電壓等的計算；最后，介紹了單相變壓器的機械結構設計過程及裝配過程。 【關鍵詞】：變壓器；計算；設計；裝配；目錄引言

3、1一、變壓器的介紹2（一）變壓器的應用2（二）單相變壓器的原理2（三）單相變壓器的結構2二、 設計思路4（一）客戶要求4（二）用途分析4（三）材料分析4（四）結構分析5三、單相變壓器參數(shù)的計算7（一）鐵芯確定7（二）線圈確定8（三）直流電阻計算9（四）負載損耗計算 (115 度)9（五）溫升及散熱能力計算10（六）阻抗電壓計算11四、機械結構設計過程12（一）線包草圖繪制12（二）生成實體13（三）裝配13總結15參考文獻16謝辭17引言變壓器在電路和電器設備中主要用作升降電壓、安全隔離、匹配阻抗等。變壓器就是利用電磁互感應現(xiàn)象進行變換電壓、電流和阻抗的器件。變壓器調壓裝置、電源電壓波動、線路

4、電壓損失等變化都可造成用戶電壓不穩(wěn)定，影響用電設備正常工作，此時需調整輸出電壓以保證用戶電壓保持穩(wěn)定。高壓輸電可以使電能集中，從而減小電能在傳輸?shù)臅r候的損耗，但是高壓電對普通家庭用電器以及電路有致命的傷害，所以變壓器就應運而生了。單相變壓器由于損耗小、容量小、重量輕等優(yōu)勢可以方便的深入負荷中心，而具有極強的適用性。 變壓器是變控電源電壓的一種電氣設備，為適應不同的使用目的和工作條件，變壓器可分為很多類型。通常按變壓器的不同用途、不同容量、繞組個數(shù)、相數(shù)、調壓方式、冷卻介質、冷卻方式、鐵芯形式等進行分類，用來滿足不同行業(yè)對變壓器的需求。本課題主要以單相變壓器為研究對象，首先，介紹了單相變壓器的應

5、用和結構；其次，介紹了單相變壓器的主要設計思路，包括客戶要求、用途分析、材料分析、結構分析；然后，介紹了單相變壓器各個參數(shù)的計算，包括鐵芯、線圈、直流電阻、負載損耗 (115度)、溫升及散熱能力、阻抗電壓等的計算；最后，介紹了單相變壓器的機械結構設計過程及裝配過程。本課題來源于蘇州騰冉電氣有限公司的5KVA系列單相變壓器?，F(xiàn)階段進行城鄉(xiāng)電網改造主要使用節(jié)能產品，主要通過節(jié)能技術或者是節(jié)能產品可以有效地降低供電線損耗以及提升供電的可靠性。本文主要是對單相變壓器的結構設計進行闡述。 一、變壓器的介紹（一）變壓器的應用變壓器是變控電源電壓的一種電氣設備，為了適應不同的使用目的和工作條件，變壓器可分為

6、很多種類。一般按照變壓器的用途、容量、繞組個數(shù)、相數(shù)、調壓方式、冷卻介質、冷卻方式、鐵芯形式等進行分類，用于滿足不同的行業(yè)對變壓器的不同的需求。 按使用途徑分類可分為：電力變壓器；電爐變壓器；整流變壓器；工頻試驗變壓器；礦用變壓器；電抗器；調壓變壓器；互感器；特種變壓器。按容量大小分類可分為：中小型變壓器：電壓在35KV以下，容量在10-6300KVA；大型變壓器：電壓在63-110KV，容量在6300-63000KVA ；特大型變壓器：電壓在220KV以上，容量在31500-360000KVA 。按相數(shù)分類，可分為：單相變壓器和三相變壓器。按變壓器的冷卻介質分類：油浸式變壓器；干式變壓器；充

7、氣式變壓器；充膠式變壓器和填砂式變壓器等。按變壓器的冷卻方式分類可分為：油浸自冷式變壓器；油浸風冷式變壓器；油浸強迫油循環(huán)風冷卻式變壓器；油浸強迫油循環(huán)水冷卻式變壓器；干式變壓器；本課題所涉及的單相變壓器實際應用于農村的照明的用電或者小型動力的用電，其負荷不大，而且負荷波動也不大。（二）單相變壓器的原理變壓器是根據(jù)電磁感應的原理來制成的。在閉合的鐵芯柱上面繞有兩個繞組，一個原繞組和一個副繞組。當原繞組加上交流電源電壓時，原繞組流有交變電流，而建立磁勢，在磁勢的作用下鐵芯中便產生交變主磁通，主磁通在鐵芯中同時穿過，一、二次繞組而閉合由于電磁感應作用分別在一、二次繞組產生感應電動勢，其基本原理為楞

8、次定律，感應電流產生的磁通，總是阻礙圓磁通的變化，當原磁通增加時感應電流的產生的磁通與原磁通相反, 就是說二次繞組所產生的感應磁通與原繞組所產生的主磁通相反,所以二次繞組就出現(xiàn)了低等級的交變電壓，即鐵芯是變壓器的磁路部分，繞組是變壓器的電路部分。圖1-1所示為變壓器的電氣原理圖，表示引出導線的連接方式，在本公司A、a表示一個繞組的兩根引出線，B、b表示另一個繞組的兩根引出線，即此處連接方法應為線包1內線圈和線包2內線圈結尾相連，線包1外線圈和線包2外線圈結尾相連。（三）單相變壓器的結構一般變壓器主要分為鐵芯、線包繞組和夾件三個部分。1、 鐵芯鐵芯是變壓器的磁路部分。鐵芯一般是使用矩形硅鋼片堆疊

9、而成的。硅鋼片可分為兩種，一般應用在發(fā)電機和變壓器對硅鋼片的要求是一樣的，都是要求鐵損低，磁化特性好，疊片系數(shù)高等，但變壓器一般用有取向硅鋼片,發(fā)電機用無取向硅鋼片。用做變壓器的鐵芯，一般選用035mm厚的冷軋硅鋼片，按所需鐵芯的尺寸，將它裁成矩形片，然后交疊成“日”字形或“口”字形。從原理上講，如果需要減小渦流，則硅鋼片厚度越薄，且拼接的片條越狹窄，效果越好。雖然這樣可以減小渦流損耗，也可以降低溫升，還能節(jié)省硅鋼片的用量。但是實際上制作硅鋼片鐵芯時，并僅僅不只是從這一個有利因素出發(fā)，因為按照那樣制作鐵芯，會大大增加工時長，而且還會減小鐵芯的有效截面。所以，用硅鋼片制作變壓器鐵芯時，要從具體情

10、況出發(fā)，選擇最佳尺寸。 圖1-1電氣原理圖圖1-2 鐵芯堆疊 圖1-3 鐵芯堆疊如圖1-2所示為鐵芯堆疊單數(shù)層平面圖，如圖1-3所示的鐵芯堆疊為鐵芯堆疊的偶數(shù)層，每層都是兩片一疊。即表明鐵芯堆疊的方式為插接，即鐵芯本身有足夠的拉力拉住鐵芯自身，所以可以不再使用拉板將鐵芯固定，從而減少不必要的成本。2、 繞組 繞組是變壓器的電路部分。線包繞組的話可分為兩類，一類是線繞組，另一類是箔繞組。線包繞組是變壓器最關鍵的部分，它的作用是調節(jié)出一個被人所需要的電壓。一次線圈中通過變化的電流，產生變化的磁場，二次線圈處在變化的磁場中感應產生變化的電流。一次線圈與二次線圈的比值決定了變壓器的變比。線圈在整個過程

11、中，起到電能到磁能再到電能的轉化作用，同時改變了電壓和電流的大小。3、 夾件 夾件主要起的作用是固定鐵芯、安裝固定。不同的變壓器會使用不同的夾件，本課題中使用的是常規(guī)的夾件。除了常規(guī)的夾件還有許多特殊要求的夾件，如絕緣夾件等。夾件一般都是使用無磁性的材料。2、 設計思路（一）客戶要求 客戶要求來源于客戶所需電路中需要的參數(shù)，本課題所涉及客戶提供的5Kva單相變壓器的一些參數(shù)如下：產品類型：單相變壓器額定容量：5KVA額定電壓：U1：U2 315V：220V額定電流：16A：22.7A絕緣等級：H（180）額定頻率：50Hz耐壓：2.5KVA/min空載損耗：120w負載損耗：150w（二）用途

12、分析該產品屬于變壓器。工藝要求主要是對客戶提供的長寬高的大小要求、以及安裝要求較為嚴格，主要做用是改變電壓，保護用電器和輸電電路安全。（三）材料分析1、由于一些夾件是屬于折彎板的，所以夾件常見問題就是折彎角度不準確、折彎處圓角太大等，一般而言發(fā)現(xiàn)此種問題，就需要把夾件送回供應商那里返工。2、由于繞線時線繞制過松就會引起線包繞組無法裝入鐵芯上，或者線包繞繞組松垮下來，影響變壓器功能。3、一些嚴酷的環(huán)境中所使用的變壓器需要進行高溫、防水、防震等試驗。所以對制造變壓器的原材料都有特殊要求，比如需要抗腐蝕、不生銹、耐高溫、防水等材料進行制造。在這種情況下就不可以使用普通材料了。4、所用材料（1）銅線：

13、4.5*1.5 mm銅線2.57kg，3.0*1.5mm銅線2.98kg。（2）鐵鍍錫：上下夾件各兩個。（3）狗骨：6*6*150mm直角狗骨8個，6*8*150mm工字型狗骨24個。（4）絕緣紙：0.13*150mmNM絕緣紙0.2kg。（5）緊固件：M6*165mm雙頭鍍鋅螺桿4根，M6螺母8個，6t型墊圈8個，M6大平墊8個，M6彈簧墊片8個。（6）硅鋼片：材料35JGH250硅鋼片，尺寸分別是60*125*0.35mm，230*60*0.35mm共42.8kg。（四）結構分析單相變壓器屬于電力設備，所以產品在設計時要求對電氣性能要求嚴格。因為變壓器是安裝在電路中的所以客戶會對產品有一些

14、產品尺寸要求以及安裝尺寸要求，這類要求也比較高，電氣性能要求高。 制造工藝：1、 鐵芯的堆疊 在鐵芯堆疊的過程中需要注意尺寸公差要求是否滿足要求（一般公差要求是在±0.3之間）。2、 線包繞組的繞制 在線包繞組繞制的時候需要注意繞線機的安全使用事項，各個繞組引出線的出線方式以及絕緣處理。3、 初次預裝配檢驗尺寸及電氣參數(shù) 初次預裝配需要注意客戶要求的安裝尺寸是否滿足，如果安裝尺寸滿足公差，才可以繼續(xù)進行電氣參數(shù)的檢測。4、 通過檢驗后，去浸漆烘烤 浸漆的主要目的在于加強線圈在繞制是所使用的絕緣紙的強度，以及防銹處理，需要注意的是在浸漆前需要把客戶需要接線的地方使用絕緣樹脂覆蓋住，這樣

15、可以在浸完漆后清除的這些地方的漆比較方便。5、粘貼名牌、標簽、安裝端子等6、出貨前的最終檢驗7、在本公司裝配部分分為兩個部分第一部分是在浸漆之前的組裝各各已經做好的零件，第二部分是在浸完漆之后的粘貼銘牌標簽等小物件。單相變壓器的設計思路如表2-1所示。表2-1 單相變壓器的設計思路步驟名稱效果圖1緊固件（六角螺母-彈簧墊片-大平墊-T型絕緣墊圈組合件）2下夾件3上夾件4工字型狗骨5直角狗骨6線包繞組三、單相變壓器參數(shù)的計算（一）鐵芯確定鐵芯的計算公式為：S2=K2P2(cm2) ，其中功率的單位為瓦特，面積單位為平方厘米， K 為經驗系數(shù)。K值取值范圍如下：變壓器次級計算功率P2 為0VA 到

16、10VA,經驗系數(shù)K 選1.25 到1.15變壓器次級計算功率P2 為10VA 到50VA,經驗系數(shù)K 選1.15 到1.12變壓器次級計算功率P2 為50VA 到500VA,經驗系數(shù)K 選1.12 到1.10變壓器次級計算功率P2 為500VA 以上,經驗系數(shù)K 選1鐵芯截面積與功率的關系式：鐵芯截面積=經驗系數(shù)*（額定功率的平方根）S=1* (5000)0.5 = 70.7 cm2實際片寬選取寬度 60mm，疊厚115mm，如圖3-1所示。鐵芯面積為 A=6cm*11.5cm*0.97(疊片系數(shù))= 66.93 cm2鐵芯尺寸：圖3-1鐵芯二維圖鐵芯重量：長：2*60*230*115*7.

17、65/（106）=24.3kg短：2*60*175*115*7.65/（106）=18.5KG鐵芯總重：24.3+18.5=42.8KG空載損耗=空載損耗工藝系數(shù)×單位損耗×鐵芯重量P0=1.3*1.9*42.8=105.7W（二）線圈確定根據(jù)飽和磁密點不同，無取相硅鋼片磁密一般內取 1.3-1.5 ,有取相可以取1.5-1.7T，這個產品用無取向硅鋼片35A250 ,磁密取1.39T。線包二維平面圖如圖3-2所示。U1=4.44fN1BAU1初級額定電壓 (V)f-額定頻率 （Hz）N1-初級線圈匝數(shù)B選取磁密，單位TA- 鐵芯面積 (M2)N1=(4.44*f*B*A)

18、/U1=315/(4.44*50*1.39*66.93*10-4)= 152 匝，每柱76圈U2=4.44fN2BAN2=(4.44*f*B*A)/U1=220/(4.44*50*1.39*66.93*10-4)= 106 匝，每柱53圈線徑選取，電密取3.5A/mm2 左右，內線圈取4.5*1.5 銅線。兩層（27*2）外線圈取3.0*1.5 銅線，兩層（38*2）。主控道：6mm 直角狗骨， 初次級線圈8*6mm 氣道1 圈。圖 3-2線包二維平面圖1、內線圈幅向尺寸計算：a2=（1.5+0.3）*2*1.2(系數(shù))+0.13*4=4.8mm內線圈高度：h2=（4.5+0.3）*（27+1

19、）*1.02=138mm內線圈寬度內徑 d2.1=60mm+6*2mm=72mm內線圈長度內徑d2.2=115mm+6*2mm=127mm內線圈寬度外徑 D2.1= d1.1+2*a2=72mm+2*4.8mm=81.6mm內線圈寬度外徑 D2.2= d1.2+2*a2=127mm+2*4.8mm= 136.6mm內線圈平均匝長 L2=d2.1+d2.2+D2.1+D2.2=417.2mm內線圈總長度 L2(TOTAL)=L2*N2/1000=417.2*106/1000=44.2M2、外線圈幅向尺寸計算：a1=（1.5+0.3）*2*1.2(系數(shù))+0.13*4=4.8mm外線圈高度：h1=

20、（3.0+0.3）*（38+1）*1.02= 131mm外線圈寬度內徑 d1.1=D2.1+8*2mm=81.6mm +16mm=97.6mm外線圈長度內徑d1.2= D2.2+8*2mm=136.6+16mm=152.6mm外線圈寬度外徑 D1.1= 97.6+2*a2=92.8mm +2*4.8mm= 102.4mm外線圈長度外徑 D1.2= d1.2+a2*2=152.6mm +4.8mm*2= 162.2mm外線圈平均匝長 L1=d1.1+d1.2+D1.1+D1.2=514.8mm外線圈總長度 L1(TOTAL)=L1*N1=514.8*152/1000=78.25M3、計算銅重量：

21、內線圈銅線截面積SCU2=4.5*1.5-0.8594*0.82=6.535mm2外線圈銅線截面積SCU1=3.0*1.5-0.8594*0.82=4.285mm2CU2(內線圈重量)=8.9*L2(TOTAL)*SCU2/1000 =8.9*44.2M*6.535mm2/1000 =2.57kgCU1(外線圈重量)=8.9*L1(TOTAL)*SCU1/1000 =8.9*78.25M*4.285mm2/1000 =2.98kg（三）直流電阻計算=R*S/L（R電阻、S截面積、L長度、電阻率），則有：R=L/S（銅的電阻率=0.0175,20度）內線圈電阻: R2(20度)=0.0175*4

22、4.2/6.535=0.115=115m外線圈電阻: R2(20度)=0.0175*78.25/4.285=0.31957=319.6m注意: 1060 鋁的系數(shù)是0.028115 度內線圈電阻:R2 115度=(225+115)/(225+20)*115m=164.3 mR1 115度=(225+115)/(225+20)*304m=443.5 m注意: 1060 鋁的系數(shù)是235（四）負載損耗計算 (115 度) 1、負載損耗分兩部分，一部分是銅損,一部分雜散損耗,變壓器一般取1.05,電抗器系數(shù)取1.32、內線圈銅損PCU2=(I2)2*R2=(22.7*22.7*164.3)/1000

23、=84.6W3、外線圈銅損計算PCU1=(I1)2*R1=(16*16*443.5)/1000=113.54W 4、雜散損耗計算P 雜=（PCU2+PCU1）*0.05=9.9W負載損耗P 負載=84.6+113.54+9.9=208.04W (115度)空載損耗P0=105.7W總損耗 P 總=208.04W+105.7W=313.7W5、 變壓器效率=（容量-總損耗）/容量*100% =（5000-313.74）/5000*100% =93.73%（五）溫升及散熱能力計算1、內線圈內散熱面積計算SecSn=2*(d2.1+d2.2)*h2*10-6=2*(72+127)*138*10-6=

24、0.055m2 2、內線圈外散熱面積計算 SecSw=2*(D2.1+D2.2)*h2*10-6=2*(81.6+136.6)*138*10-6=0.0602m23、內表面散熱系數(shù)計算 SecSan=0.56*(6)1.6/h2)0.25=0.56*0.59=0.335內線圈氣道高度h2-線圈高度4、外線圈內散熱面積計算PriSn=2*(d1.1+d1.2)*h1*10-6 =2*(99.6+152.6)*131*10-6 =0.06608m25、外線圈外散熱面積計算PriSw=2*(D1.1+D1.2)*h1*10-6 =2*(102.4+162.2)*131*10-6 =0.06932m2

25、6、外線圈內表面散熱系數(shù)計算PriSan=0.56*(8)1.6/h2)0.25 =0.56*0.59 =0.387、內線圈總散熱能力計算Ssec =(secSn*secSan+secSw*PiSan)+0.9X*2 =0.055*0.335+0.0602*0.38+0.9*X*2 =0.0826x- 如果內線圈有氣道,系數(shù)按照上述公式計算出氣道散熱數(shù)值.8、內線圈溫升計算T2=(PCU2+0.05*PCU2)/Ssec)0.8)*(0.28) =74.5K9、外線圈總散熱能力計算SPri=(PriSn*PriSan+PriSw)+0.9X2 =0.06608*0.38+0.06932+0.9

26、X*2 =0.188910、 外線圈溫升：T2=(PCU1+0.05*PCU1)/Spri)0.8)*(0.32) =(113.54*1.05/0.1889)0.8*0.32=55.6K（六）阻抗電壓計算線圈示意圖如圖3-3所示，其中，r(內線圈半徑)=(d2.1+d2.2)/31.415=6.35cma2(內線圈厚度) =0.48cma1（外線圈幅度）=0.48cma12(內外線圈距離)=0.8cmr2(內線圈平均半徑)=r+a2/2=6.59cmr12= r+a2+a12/2=6.35+0.48+0.4=7.23cmr1(外線圈平均半徑)= r+a2+a12+a1/2=6.35+0.48+

27、0.8+0.24=7.87cm入=a1+a2+a12=0.48+0.48+0.8=1.76mmH(電抗高度)=(h1+h2)/2=13.4.5mm(絡氏系數(shù) )=1-入/(3.141*H)=0.9587圖3-3線圈示意圖 =(a1*r1)/3+a12*r12+(a2*r2)/3=8.24UK-阻抗電壓Ur-電感分量Ux電阻分量Ur= P 負載/(1000*P)=199.7/(1000*5)*100%=4.3%Ux=(49.6*f*N2*I2*)/(H*e*108)=0.44%UK=4.32%f-頻率N2-次級圈數(shù)I2-次級額定電流H-電抗高度e-匝電壓（315V/76）=4.145V額定電壓

28、U1，U2，SN（KVA），U1是一次額定電壓，U2是二次額定電壓（線電壓），SN（KVA）是容量。額定電流 I1N一次/I2N 二次的額定電流。SN=U1NI1N=U2NI2N四、機械結構設計過程在UG三維建模中主要設計的部分有鐵芯、線包、夾件等。在這里主要以線包建模為例，介紹其設計過程。（一）線包草圖繪制草圖尺寸均根據(jù)單相變壓器參數(shù)的計算中內線圈幅向尺寸計算結果及外線圈幅向尺寸計算結果，得出草圖的基本尺寸。繪制草圖時，先建立XY草圖平面，然后新建草圖，進入草圖平面繪制，繪制方法為畫一個72*127mm的矩形，然后倒4個圓角為R6的圓角，然后偏置曲線多次。繪制的線包草圖如圖4-1所示。圖4-

29、1 草圖 圖4-2內線圈拉伸圖4-3外線圈拉伸 圖4-4絕緣紙拉伸（二）生成實體 根據(jù)圖4-1草圖進行拉伸，操作步驟為，先選擇拉伸，再選擇需要拉伸曲線，在選擇拉伸方式為對稱，輸入拉伸高度為總高除以2。拉伸的高度尺寸根據(jù)單相變壓器參數(shù)的計算中內線圈幅向尺寸計算結果及外線圈幅向尺寸計算結果。如圖4-2所示為內線圈拉伸，圖4-3為外線圈拉伸，圖4-4為絕緣紙拉伸。（三）裝配單相變壓器主要由鐵芯、線包、夾件、緊固件、狗骨等構成。此處裝配是將設計好的三維模型零件組裝起來。通過組裝零件約束來實現(xiàn)原本三維零件模型的組裝。圖4-5 裝配效果圖裝配方案：1、 添加組件鐵芯*1（堆疊好的模型）選擇絕對原點約束。2、 添加組件直角狗骨*8 選擇接觸對齊和對中2對2。3、 添加組件線包*2 選擇接觸對齊。4、 添加組件工字型狗骨*24 選擇接觸對