電機與拖動課程設計小型單相變壓器設計

1、小型單相變壓器設計11小型單相變壓器簡介變壓器是通過電磁耦合關系傳遞電能的設備，用途可綜述為：經濟的輸送電能、合理的分配電能、 安全的使用電能。實際上，它在變壓的同時還能改變電流，還可改變阻抗和相數。小型變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡單的小型單相變壓器由一個閉合的鐵心（構成磁路）和繞在鐵心上的兩個匝數不同、彼此絕緣的繞組（構成電路）構成。這類變壓器在生活中的應用非常廣泛。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 形狀一般有E型和C型鐵心。變壓器（transformer ）是利用電磁感應原理將某一電壓的交流換成頻

2、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鐵心和套在鐵心上的兩個繞組，如圖（1）所示。一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負載，稱為副繞組（二次繞組、次級）。原繞組各量用下標1表示, 副繞組各量用下標2表示。原繞組匝數為Ni，副繞組匝數為N2。圖（1）變壓器結構示意圖理想狀況如下（不計電阻、鐵耗和漏磁），原繞組加電壓ui，產生電流h，建立磁通，沿鐵心閉合, 分別在原副繞組中感應電動勢&和曳。（1）電壓變換當一次繞組兩端加上交流電壓u1時，繞組中通過交流電流i1，在鐵心中將產生既與一次繞組交鏈, 又與二次繞組交鏈的主磁通'。(1-1)(1

3、-2)說明只要改變原、副繞組的匝數比，就能按要求改變電壓。（2）電流變換變壓器在工作時，二次電流I2的大小主要取決于負載阻抗模 決于12的大小。（1-3）（1-4）|乙|的大小，而一次電流11的大小則取又 U1I1 二U2I2(1-5)U2Ui(1-6)說明變壓器在改變電壓的同時，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、變壓器的基本結構1、鐵心：鐵心是變壓器磁路部分。為減少鐵心內磁滯損耗渦流損耗，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。鐵心分為鐵柱和鐵軛兩部分，鐵柱上套裝有繞組線圈，鐵軛則是作為閉合磁路之

4、用，鐵柱和鐵軛同 時作為變壓器的機械構件。鐵心結構有兩種基本形式：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 變壓器線圈大部分是采用鋁線。圖（2）3、其它結構部件：儲油柜、氣體繼電器、油箱。圖（3）單相心式變壓器1鐵柱；2鐵軛；3高壓線圈；4低壓線圈三、設計內容計算內容有四部分：額定容量的確定；鐵心尺寸的選定；繞組的匝數與導線直徑；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，是指變壓器二次側輸出的功率，通常用KVA表示。（1）二次側總容量小容量單相變壓器二次側為多繞組時，若不計算各個繞組

5、的等效的阻抗及其負載阻抗的幅角的差 別，可認為輸出總視在功率為二次側各繞組輸出視在功率之代數和，即S=U2|2 小|3 . . Un|n（ 3-1）式中S二次側總容量（vA）U 2, U 3, U n二次側各個繞組電壓的有效值（V）；I 2, I 3,I n 二次側各個繞組的負載電流有效值（A）。（2）一次繞組的容量對于小容量變壓器來說，我們不能就認為一次繞組的容量等于二次繞組的總容量，因為考慮到變壓 器中有損耗，所以一次繞組的容量應該為1=-耳（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所給的數據是生產時間的統(tǒng)計數據，可供計算時初步選用

6、表3-1小容量變壓器計算參考數據變壓器容量SvA磁通密度Bm/ X 10_T效率n （%電流密度j/（A mm2）鐵心計算中的K。值小于106000700060 703 2.5210 50r 7000800070 802.5 22 1.550 1008000900080 852.5 21.5 1.310050090001100085 902.5 1.51.3 1.255001000110001200090 921.5 1.21.25 1.1（3）變壓器的額定容量由于本次設計為小型單相變壓器，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

7、的平均值，1S二*（ S1+S2）（單位為 VA）（3-3）2（4）一次電流的確定S11 =(1.1 1.2) -(3-4)式中（1.1-1.2）考慮勵磁電流的經驗系數，對容量很小的變壓器應取大的系數。2. 鐵心尺寸的選定（1）計算鐵心截面積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相臨兩 層硅鋼片的接縫要相互錯開。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，一般用下列經驗公式計

8、算單位為（cm2）。A 二 K"S（3-5）a鐵心柱的凈面積，單位為cmK0 截面計算系數，與變壓器額定容量 Sn有關，按表3-2選取，當采用優(yōu)質冷軋硅鋼片時 K0 可取小些截面積計算系數KoSn/VAV 10105050100100500> 50021.75 說=05c1.35 1.25 1.751.51.351.251.0表3-2截面積計算系數 Ko的估算值后，就 度,根計算心柱截面積A 可確定心柱的寬度和厚 據圖3可知（3-6）式中a心柱的寬度（mr）b心柱的凈疊厚(mr) b'心柱的實際厚度(mr)Kc疊片系數，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

9、所引入的。對于0.5mm厚，兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，Kc=0.93 ;對于0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，Kc=0.91 ;對于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=(1.22.0)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achH137.522405060667584961141321501683416924401910.53050221133552512.537.562.5281442703216488038195795442266110502

10、5751255828841406432961921603. 繞組的匝數與導線直徑(1)計算每伏電壓應繞的匝數從變壓器的電勢公式E=4.44fNBmA,若頻率f=50Hz,可得出每伏所需的匝數N1084.5 勺03(3-7)N!=4.44fBm BmA式中N。一一對應于每伏電壓的匝數，單位：匝/VB m鐵心柱內工作磁密最大值，單位： TA鐵心柱截面積，單位：cni當鐵心材料國熱軋硅鋼片時，取 B.=1.01.2T ;采用冷軋硅鋼片時，可取 B=1.21.5T 然后根據N和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數N廣 N0U1(3-8)N2 =(1.051.10)N0U2(3-9)N(1.051.10)Nc

11、U3(3-10)式中N、NNU各線圈的匝數。為補償負載時漏阻抗壓降，副邊各線圈的匝數均增加了5%10%（2） 計算導線直徑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，按各個繞組的負 載電流，選擇導線截面，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，根據實踐經驗，通過導線的電流密度J不能過大，對于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=23A/mm。對于連續(xù)工作時可取J=2.5A/mm導線的截面積：A=l/j.d = J4 t =1.13 &mm導線的直徑：7： ' j ' j

12、 =0.715 J導線直徑可根據工作電流計算，式中：d 原、副邊各線圈導線直徑，單位： mmI 原、副邊各線圈中的工作電流，單位：A；根據算出的直徑查電工手冊或表 3-4選取相近的標準線徑。當線圈電流大于 10A時，可采用多根導線并 聯(lián)或選用扁銅線。表3-4導線材料的選取螺0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.1、線導直線、徑 品種1.742.440.140.210.330.490.620.720.962.02高強度聚酯漆包線0.030.040.050.060.070.080.090.110.120.13硅有機單玻璃絲包 線0.200.220.220.24硅

13、有機雙玻璃絲包 線0.250.270.270.284. 繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。繞組的匝數和導線的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數為(3-11)0.9h -(24)d'式中 d 絕緣導線外徑（mm；h鐵心窗高（mr）0.9 考慮繞組框架兩端厚度的系數; （24）考慮裕度系數。各繞組所需層數為各繞組厚度為Nm -Nci=1,2,n(3-12)(3-13)式中 匚一一層間絕緣厚度（mm，導線較細（0.2mm以下），用一層厚度為0.020.04mm白玻璃紙,導線較粗(0.2mm以上)，用一層厚度為0.050.07mm的電纜紙(或牛皮紙)，更粗的導線，可用厚度為 0.12m

14、 m的青殼紙；7繞組間的絕緣厚度(mm,當電壓不超過500V時，可用23層電纜紙夾12層黃蠟布 等。繞組總厚度為(3-14)t =(t° tl t2 . tn) (1.11.2)式中t。繞組框架的厚度(mr)1.11.2 考慮裕度的系數。計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，減小繞組匝數或重 選硅鋼片的尺寸，按上述步驟重復計算和核算，至合適時為止。四、實例計算女口上圖所示，取 6=220/ U2 =300V U3 =50V 12 = 0.2A l3=0.1A計算變壓器的主要參數，并選擇可行的材料。 解：1、計算變壓器的額定容量Sn1)計算

15、副邊的容量：S2=U I 2 + U 3 I 3=300*0.2+50*0.1=65( V-A)2) 計算原邊的容量：S =S2/ n根據表1：小型單相變壓器的效率 n的估算值可以取n =0.82 因此，s =S7 n =65/0.82=79.3( V-A)3)計算變壓器的額定容量Sn=1/2 (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75V-A2、鐵心尺寸的選定1)計算鐵心截面積AA= K Sn根據表2.截面積計算系數K0的估算值可以取K0=1.40因此，A= K 0 Sn =1.40 75=12.1 (cm22

16、)鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計算根據表3.參數a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.此時b/a=47.5/28=1.7 滿足b=(1.22)a的通常要求。3、計算繞組線圈匝數1 )求出每伏電壓應繞的匝數N。N 103E _4.44fBmA-450000ABm=3.4 (匝 /V)式中的Bm=1.仃(鐵心材料國熱軋硅鋼片)2)根據No和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數N1 = N0U 仁3.4*220=748N2= (1.051.10 ) N0 U2=1.10*3.4*300=1122N3= (1.051.10 ) N0 5=1.10*

17、3.4*50=1874、計算導線直徑d導線的截面積：Ac=l/j.=1.15*79.3/220=0.415(A)2Ac1=0.415/2.5=0.17 mm=0.715 1 =0.46 mm同理：Ac2=0.08 mmd? =0.32 mm2QZ0.06副邊的材料為高強度聚酯包線Ac3=0.04 mmd3 =0.23 mm根據所求解的數據：可以取原邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.05五、結論在本次的課程設計也是以電機與拖動我們的教材為主線，我們基本能按照設計任務書、指導書、 技術條件的要求進行。通過上面的設計可知：一般的小容量單相變壓器的計算內容有四種部分：容量的確定；鐵心尺寸的 確定；繞組的

18、計算；繞組排列及鐵心尺寸的最后確定。變壓器的效率80%90%對小容量變壓器應考慮內部壓降，為使在額定負載時二次側有額定電壓應適當的增加二次側繞組匝數，約增加5%10的匝數。通過銅損的測定可知，小型變壓器的的質量可以從他的空載損耗和短路損耗判斷出來，越小越好， 同時工作溫度也會低，并有很好的負載，通過空載電流的測定，鐵損較大的變壓器，發(fā)熱量大，安培 匝數設計要是不合理，空載電流會大增，就會造成溫升增大，有損壽命。單相變壓器是具有兩個線圈的變壓結構：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)系兩個貼心柱的部分。2變壓器繞組構成設備的內部電路，它與外界的電網直接相接，是變壓器中最重要的部件，常把繞 組比做變壓器的核心。六、心得體會一周的時間很快就要過去了，本次的課