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)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(lèi)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(chēng)為鐵心柱，連接鐵心柱的部

2、分稱(chēng)為鐵軛，為了 減少磁路中不必要的氣隙，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(lèi)型小型單相變壓器設(shè)計(jì)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

3、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，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(chēng)為原繞組（一次繞組、初級(jí)） ，另一個(gè)接負(fù)載，稱(chēng)為副繞

4、 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 表示。 原繞組匝數(shù)為 N1 ，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 u1，產(chǎn)生電流 i1 ， 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) e1和e2小型單相變壓器設(shè)計(jì)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（í 0），這個(gè)電流稱(chēng) 為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過(guò)負(fù)載電流 í2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 í0，一部分為用來(lái)

5、平衡 í2，所以這部分電流隨著 í2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)的能量傳遞。2、1 電壓變換 當(dāng)一次繞組兩端加上交流電壓 u1時(shí)，繞組中通過(guò)交流電流 i1，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)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 I2的大小主要取決于負(fù)載阻抗模 | Z1| 的大小，而一次電流I 1的大小則取決于 I2 的大小。1-5)又 U1I1 U 2I 2小型單

6、相變壓器設(shè)計(jì)U2U11-6)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 |Z L|的負(fù)載時(shí)，若忽略 Z1，Z2和 I0，則|Z L|=U2/I 2=U1/ (K 2*I 1)U1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|Zl| 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 |Z L| ，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)。當(dāng) N1>N2時(shí)， Ku>l ，此時(shí)

7、U1>U2這時(shí)的變壓器稱(chēng)為降壓變壓器當(dāng) N1<N2 時(shí), Ku <1，此時(shí) U1<U2，這時(shí)的變壓器稱(chēng)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(chēng)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。小型單相變壓器設(shè)計(jì)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S2S 1= （單位為 V·A）（3-2 ）式中S

8、1 變壓器的額定容量；變壓器的效率，約為 0.8 0.9 ，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S1V·A磁通密度Bm ×10 4T效率 （ %）電流密度j (A mm2 )鐵心計(jì)算中的K0值小于 1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.5 1.31005009000 85902.5 1.51.3 1.2511000500100011000 90921.5 1.21.25 1.1120003、1、 2 二次側(cè)總?cè)?/p>

9、量小容量單相變壓器二次側(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)各繞組輸出視小型單相變壓器設(shè)計(jì)在功率之代數(shù)和，即S2 U 2I 2 U3I 3 U nI n（3-1）式中S2 二次側(cè)總?cè)萘浚?V·A）U 2,U3, U n 二次側(cè)各個(gè)繞組電壓的有效值（ V）；I2, I3, In 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式中 S2 變壓器二次容量， VA：U2、U3、, Un二次各繞組電壓有效值， v；I2 、I3 、,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，

10、本身存在著鐵損和銅損，故一次容量比二次 容量大。式中 變壓器的效率。 總是小于 1，變壓器的容量越小， 也越小， v 的數(shù)值見(jiàn)表 1:表 1：小容量變壓器效率值變壓器的額定容量：小型單相變壓器設(shè)計(jì)3、 2 鐵心尺寸的選定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(chēng)為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱(chēng)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

11、般用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 （單位為 2 ）。A K 0 S（3-5 ）A鐵心柱的凈面積，單位為 cm2K 0 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) K 0可取小些截面積計(jì)算系數(shù) K0表 3-2 截面積計(jì)算系數(shù) K 0 的估算值小型單相變壓器設(shè)計(jì)Sn /VA<10105050100100500>500K021.751.75 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 ab'K c （3-6）式中 a 心柱的寬度（ mm）；b心柱的凈疊厚（ mm）；

12、 b'心柱的實(shí)際厚度（ mm）；K c 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， K c=0.93 ； 對(duì)于 0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片， K c =0.91 ；對(duì)于 0.35mm厚，不涂漆的冷軋鋼片， K c =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表 3-3 小型變壓器通用的硅鋼片尺寸achAH137.52240341692450401910.53060502

13、2113366552512.537.57562.528144284703216489680381957114958小型單相變壓器設(shè)計(jì)4422661321105025751501255828841681406432961921603、 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)，即關(guān)于 Bm值，不同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 DW240 35、DW265 35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

14、，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 1001000VA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(chēng)高硅 ） ，Bm可取得大些；若硅鋼片厚而軟，則磁 性能較差（俗稱(chēng)低硅） ，Bm值可取得小些。一般 Bm可取在 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 QQ型） 繞制。為限制銅損耗 及發(fā)熱，按各個(gè)繞組

15、的負(fù)載電流，選擇導(dǎo)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(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/mm2。對(duì)于連續(xù)工作時(shí)可取 J=2.5A/mm2 導(dǎo)線的截面積： Ac=I/j.小型單相變壓器設(shè)計(jì)d 4 I 1.13 I mm導(dǎo)線的直徑：j j =0.715 I導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計(jì)算 ，式中： d 原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單 位： mm；I 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

16、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0.20.20.20.210絲包線5778小型單相變壓器設(shè)計(jì)3、 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 (2 4)d'

17、3-11)式中 d 絕緣導(dǎo)線外徑（ mm）； h鐵心窗高（ mm）；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NmNc3-12)各繞組厚度為ti mi(di i )i=1,2,n3-13)式中 層間絕緣厚度（ mm），導(dǎo)線較細(xì)（ 0.2mm以下），用一層厚度 為 0.02 0.04mm白玻璃紙，導(dǎo)線較粗（ 0.2mm以上），用一層厚度為 0.05 0.07mm的電纜紙（或牛皮紙） ，更粗的導(dǎo)線，可用厚度為 0.12mm的青殼紙；繞組間的絕緣厚度（ mm），當(dāng)電壓不超過(guò) 500V 時(shí)，可用 2 3 層電纜紙夾 12 層黃蠟布等。11小型單相變壓器設(shè)計(jì)繞組總厚度為3-

18、14)t (t0 t1 t2 . tn) (1.11.2) 式中 t0 繞組框架的厚度( mm)；1.1 1.2 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 t>c, 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。實(shí)例計(jì)算如上圖所示，取 U1 220V U2 300V U3 50V I 2 0.2A I 3 0.1A 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=U2I 2 + U3 I3=300*0.2+50*0.1=65( V·A)12小

19、型單相變壓器設(shè)計(jì)2） 計(jì)算原邊的容量： S1 S2/ 根據(jù)表 1：小型單相變壓器的效率 的估算值可以取 =0.82 因此， S1 S2/ =65/0.82=79.3（ V·A）3 ）計(jì)算變壓器的額定容量SN =1/2 （ S1 S2）=0.5*（65+79.3）=72.2（ V·A）75V·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 0 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， A0 SN =1.40 75 =12.1 （cm2） 2）鐵心中柱寬度 a與鐵心疊厚 b 的計(jì)

20、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*12.1/28=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)N103450000N0 AE 4.44 fBmABm =3.4 （匝 /V ）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)13小型單相變壓器設(shè)計(jì)N1 = N0 U1=3.4*220=748N2 =( 1.051.10 ) N0 N3=(1.051.10 ) N0 4、計(jì)算導(dǎo)線直徑 d

21、導(dǎo)線的截面積： Ac=I/j.SI1 (1.11.2)1U 1Ac1=0.415/2.5=0.17 mm2=0.715 I =0.46 mm同理： Ac2=0.08 mm2 d2 =0.32 mmAc3=0.04 mm2d3 =0.23 mmQZ0.06 副邊根據(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 QZ0.0514小型單相變壓器設(shè)計(jì)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

22、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，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15小型單相變壓器設(shè)計(jì)是變壓器兩不分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是聯(lián)系兩個(gè)貼心柱的部分。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。16小型單相變壓器設(shè)計(jì)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。否則，就可能走