BK-250变压器设计电气工程课程设计.doc

第 1 页电机学课程设计总结报告课题名称： BK-250变压器设计 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 11电气本二班 学 号： 1101230235 姓 名： 夏明志 指导教师： 陈 林 机械工程学院2013年12月36目录1、 课程设计基本任务.22、 变压器的概述.3、 BK系列单相变压器的设计.23.1变压器工作原理.23.2变压器基本结构.34、 变压器基本设计内容.44.1电压参数.44.2铁芯尺寸的确定.54.3绕组匝数与导线直径.74.4绕组排列及铁芯尺寸的最后确定.85、BK-250小型变压器实例设计.95.1输入输出容量.95.2铁芯尺寸.95.3绕组匝数.95.4导线直径.105.5 窗口面积.115.6 层间绝缘方法.125.7外形安装尺寸的确定.13结论.14心得体会.14谢辞.15主要参考文献.15成绩评定表.17一.课程设计基本任务一、课程设计题目：BK-250变压器设计二、设计要求各小组成员协作分工，独立完成。通过该设计，初步掌握小型变压器容量、铁心、绕组等设计步骤和方法，熟悉有关规程和设计手册的使用方法。三、设计的主要内容 1、输入输出容量的确定 2、铁心尺寸的确定 3、绕组匝数与导线直径 4、绕组排列及铁心尺寸的最后确定 6、绝缘方法的确定 7、装配尺寸的确定 8、讨论说明 9、整理成册二.变压器的概述 变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primamary coil);而跨于此线圈的电压称之为一次电压.。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈间的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁心，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁心里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁心二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指针。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附屑物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，吾人可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供6OHz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部份属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作;提供系统中以不同电位操作部份得以电气隔离;对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗;在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。阻抗其中之一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备-变压器。对于电子装置而言，重量和空间通常是一项努力追求之目标，至于效率、安全性与可靠性，更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显著百分比的重量和空间外，另一方面在可靠性方面，它亦是衡量因子中之一要项。 因为上述与其它应用方面的差别，使得电力变压器并不适合应用于电子电路上.三.BK系列单相变压器的设计 3.1变压器的工作原理变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。 变压器（transformer）是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图（1）所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级），另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级）。原绕组各量用下标1表示，副绕组各量用下标2表示。原绕组匝数为，副绕组匝数为。图（1）变压器结构示意图理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压，产生电流，建立磁通 ，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势。（1） 电压变换当一次绕组两端加上交流电压时，绕组中通过交流电流，在铁心中将产生既与一次绕组交链，又与二次绕组交链的主磁通。 （1-2） （1-3） （1-4）说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。 （2） 电流变换变压器在工作时，二次电流的大小主要取决于负载阻抗模|的大小，而一次电流的大小则取决于的大小。 （1-5） （1-6）说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。小型变压器的原理：小型单相变压器一般是指工频小容量单相变压器。A.电压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级.在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器.初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系：式中n称为电压比(圈数比).当nN2，V1V2，该变压器为降压变压器.反之则为升压变压器.B.变压器的效率：在额定功率时，变压器的输出功率和输入功率的比值，叫做变压器的效率，即= x100%式中为变压器的效率;P1为输入功率，P2为输出功率.当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时，效率等于100%，变压器将不产生任何损耗.但实际上这种变压器是没有的.变压器传输电能时总要产生损耗，这种损耗主要有铜损和铁损.铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗.当电流通过线圈电阻发热时一部分电能就转变为热能而损耗.由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成，因此称为铜损.变压器的铁损包括两个方面.一是磁滞损耗，当交流电流通过变压器时，通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化，使得硅钢片内部分子相互摩擦，放出热能，从而损耗了一部分电能，这便是磁滞损耗.另一是涡流损耗，当变压器工作时.铁芯中有磁力线穿过，在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流，由于此电流自成闭合回路形成环流，且成旋涡状，故称为涡流.涡流的存在使铁芯发热，消耗能量，这种损耗称为涡流损耗.变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越高.反之，功率越小，效率也就越低.3.2变压器的基本结构 1. 铁心1：铁心的作用和形式铁心是变压器的基本部件，由磁导体和夹紧装置组成，所以它有两个作用。在原理上，铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路的电能转为磁能，又由自己的磁能转变为二次电路的电能，是能量转换的媒介，磁导体是铁心的主体。在结构上，铁心的夹紧装置不仅使磁导体成为一个机械上完整的结构，而且在其上面套有带绝缘的线圈，支持着引线，几乎安装了变压器内部的所有部件，所以它又是变压器的骨架。 铁心的重量在变压器各部件中占有绝对的优势，在干式变压器中占总重量的60左右，在油浸式变压器中由于有变压器油和油箱，重量的比例才下降约占40。 变压器的铁心（即磁导体）是框形闭合结构。其中，套线圈的部分称心柱，不套线圈只起闭合磁路的部分称铁扼。铁心分为两大类，不套线圈只起闭合磁路的部分称铁扼。铁心分为两大类，壳式铁心和心式铁心。铁扼包围了线圈的称为壳式铁心，否则称心式铁心，由带状硅钢片卷绕而成的称卷铁心。壳式铁心一般是水平放置的，心柱截面为矩形，每相有两个旁扼，壳式铁心的优点是铁心片规格少，心柱截面大而长度短，夹紧和固定方便，漏磁通有闭合回路，附加损耗小，易于油对流散热。缺点是线圈为矩形，工艺特殊，绝缘结构复杂，短路能力差，尤其是硅钢片用量多。心式铁心的优缺点正好与壳式相反，壳式和心式两种结构各有特色，很难断定其劣式。但由其绝缘所决定的制造工艺则大有区别，一旦选定了某一种结构，就很难转而生产另一种结构。正由于这个原因，国内都采用心式铁心，只有在小容量的单相变压器及特殊用途的变压器中采用壳式铁心。 铁心用硅钢片铁心用材质是电工硅钢片是在炼刚时加入（35）左右的硅，从而提高了钢片的导磁率和电阻率，减少了钢片中的磁滞损耗和涡流损耗，这种材料由于软磁特性好而用于电工产品中，所以称为硅钢片。硅钢片表面具有双面耐热绝缘层，多采用磷酸盐涂层，每层厚度不超过3-4um，即使经退火处理，绝缘膜仍不致破坏，在压力为5kg/cm2的情况下，双面绝缘层表面电阻不小于7052cm2对变压器铁心做片间绝缘不需再另涂绝缘层。此绝缘膜为透明的灰色。硅钢片的厚度一般为0.28-0.5mm或更薄一些（0.23，0.27）我国冷扎硅钢片的厚度一般为0.35，0.3和0.27mm三种，0.3mm用的比较普遍，做薄的目的是为了限制硅钢片的涡流损耗。此外，硅钢片的涡流也产生磁场，这种磁场要减弱主磁场，硅钢片边缘的涡流磁场较中间弱，因此造成磁通绝大部分沿表面通过，片中间部分实际上不起导磁的作用，因此硅钢片越薄电磁性能越好，但太薄时，在相同铁心柱直径情况下，铁心叠片系数减小，有效截面积相应降低，空载损耗增大，此外铁心制造时片数增多，工时增加，经济效果也差，根据生产实践经验，目前认为冷扎硅钢片厚度在0.28-0.35mm范围内较为合适。电工钢片有热扎和冷扎两种，热扎的磁性能差，磁通密度只能达到1.5T-1.6T,而单位损耗P15/50却大于208W/KG已不采用，冷扎电工钢片磁饱和点较高，磁密在1.9-2.5时才开始饱和 。 磁性能好，饱和Bt高，单位损耗和单位励磁容量小。现变压器均采用此材料（如果横着轧制方向损耗将大三倍左右）片号中符号DW-冷扎无取向硅钢片；DQ冷扎取向硅钢片；高磁密取向硅钢片；符号后数字单位损耗值的100倍（DW为P15/50的100倍，DQ为P17/50的100倍）；横线后数字厚度mm的100倍，如DQ120G-3030Q140。现还有经激当处理的高导磁硅钢片，型号为ZDKH，通过激光束扫描照射，此畴变细，进一步降低了铁心的空载损耗，一般可降PO(7-13)%;非晶合金材料（金属玻璃，其厚度更薄，损耗更低（约定冷扎晶粒取向的20-25）3铁心常见故障1铁心噪音大2空载损耗，空载电流大3多点接地和局部过热 2、 绕组绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。为了节省铜材，我国变压器线圈大部分是采用铝线。 3、 其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。图（3）单相心式变压器1铁柱；2铁轭；3高压线圈；4低压线圈四.设计内容计算内容有四部分：额定容量的确定；铁心尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。4.1 额定容量的确定 变压器的容量又称表现功率和视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用KVA表示。（1） 二次侧总容量 小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差别，可认为输出总视在功率为二次侧各绕组输出视在功率之代数和，即 S2=U2I2+U3I3+. （3-1）式中 S2 二次侧总容量（VA）U2,U3,Un 二次侧各个绕组电压的有效值（V）；I2,I3,In二次侧各个绕组的负载电流有效值（A）。(2) 一次绕组的容量对于小容量变压器来说，我们不能就认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为 S1=S2/（单位为VA） （3-2）式中 S1变压器的额定容量；变压器的效率，约为0.80.9，表3-1 所给的数据是生产时间的统计数据，可供计算时初步选用。表3-1 小容量变压器计算参考数据变压器容量VA磁通密度10T效率（%）电流密度铁心计算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.755050080001100080902.51.51.51.255001000110001200090921.51.21.251.1(3) 变压器的额定容量由于本次设计为小型单相变压器，所以不考虑在三相变压器中的情况，只考虑在小型单相变压器的情况。小型单相变压器的额定容量取一、二绕组容量的平均值， S=1/2*（S+S2）（单位为VA） （3-3）(4) 一次电流的确定 I1=(1.11.2)S/U1 （3-4）式中(1.11.2)考虑励磁电流的经验系数，对容量很小的变压器应取大的系数。4.2 铁心尺寸的选定(1) 计算铁心截面积A为了减小铁损耗，变压器的铁心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。其中套有绕组的部分称为铁心柱，连接铁心柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁心在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。小容量变压器铁心形式多采用壳式，中间心柱上套放绕组，铁心的几何尺寸如图（4）所示。 单相壳式变压器立体图 小容量心柱截面积A大小与其视在功率有关，一般用下列经验公式计算（单位为 ）。 A=K0 （3-5）A铁心柱的净面积，单位为cm2K0截面计算系数，与变压器额定容量Sn有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时K0可取小些截面积计算系数K0表3-2 截面积计算系数K0的估算值Sn /VA10105050500500K0221.751.51.251.251.1计算心柱截面积A后，就可确定心柱的宽度和厚度，根据图3可知 A=ab=ab/Kc （3-6）式中 a心柱的宽度（mm）；b心柱的净叠厚（mm）；心柱的实际厚度（mm）；Kc 叠片系数，是考虑到铁心叠片间的绝缘所占空间引起铁心面积的减小所引入的。对于0.5mm厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc =0.93；对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc =0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc =0.95。按A的值，确定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.22.0)a，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。表3-3列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。表3-3小型变压器通用的硅钢片尺寸achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.5424857667584963440505562.57080951101251401604.3 绕组的匝数与导线直径 (1) 计算每伏电压应绕的匝数从变压器的电势公式E=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数 N0=N/E=103/4.44fBmA （3-7）式中 对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V Bm铁心柱内工作磁密最大值，单位：T A铁心柱截面积，单位：cm2当铁心材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.01.2T；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.21.5T 然后根据N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 N1=N0U1 （3-8）N2=（1.051.10）N0U2 （3-9）N3=（1.051.10）N0U3 （3-10）式中N1、N2 Nn各线圈的匝数。为补偿负载时漏阻抗压降，副边各线圈的匝数均增加了5%10%。 （2） 计算导线直径d小型变压器的线圈多采用漆包圆铜线(QZ型或QQ型)绕制。为限制铜损耗及发热，按各个绕组的负载电流，选择导线截面，如选的小，则电流密度大，可节省材料，但铜耗增加，温升增高。小容量变压器是自然冷却的干式变压器，容许电流密度较低，根据实践经验，通过导线的电流密度J不能过大，对于一般的空气自然冷却工作条件，J=23A/mm2。对于连续工作时可取J=2.5A/mm2导线的截面积：Ac=I/j. 导线的直径： d=0.715导线直径可根据工作电流计算 ，式中：d原、副边各线圈导线直径，单位：mm；I 原、副边各线圈中的工作电流，单位：A；根据算出的直径查电工手册或表3-4选取相近的标准线径。当线圈电流大于10A时，可采用多根导线并联或选用扁铜线。螺线直径导线品种0.060.140.150.210.230.330.350.490.510.620.640.720.740.961.01.741.812.022.12.44高强度聚酯漆包线0.030.040.050.060.070.080.090.110.120.13硅有机单玻璃丝包线0.200.220.220.24硅有机双玻璃丝包线0.250.270.270.28表3-4 导线材料的选取 4.4 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。绕组的匝数和导线的直径确定后，可作绕组排列。绕组每层匝数为 N=0.9h（24）/d， （3-11）式中 绝缘导线外径（mm）；h铁心窗高（mm）；0.9考虑绕组框架两端厚度的系数；（24）考虑裕度系数。各绕组所需层数为m=N/NC （3-12）各绕组厚度为 （3-13）i=1,2,n 式中 层间绝缘厚度（mm），导线较细（0.2mm以下），用一层厚度为0.020.04mm白玻璃纸，导线较粗（0.2mm以上），用一层厚度为0.050.07mm的电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线，可用厚度为0.12mm的青壳纸；绕组间的绝缘厚度（mm），当电压不超过500V时，可用23层电缆纸夹12层黄蜡布等。绕组总厚度为 t=(t0+t1+t2+.+tn）（1.11.2） （3-14）式中 t0绕组框架的厚度（mm）；1.11.2考虑裕度的系数。计算所得的绕组总厚度t必须略小于铁心窗口宽度c，若tc,可加大铁心叠装厚度，减小绕组匝数或重选硅钢片的尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。5. BK-250小型变压器设计5.1计算变压器输入输出容量 输入U1=220V 控制绕组U2=110V 照明绕组U3=36V 指示灯绕组U4=6.3V 1、计算变压器的输入，输出容量S1 ，S21)取=87% 已知S2=Sn=250VA 2)S2 =*S13)可解得S1 =287VA S2=250VA虑到存在着一定的损耗，故可以定变压器的额定容量近似取250VA5.2铁心尺寸的选定1）计算铁心截面积AA=k0Sn根据表2.截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.46因此，A=K0Sn=1.46*250=23.085（cm2)2） 铁心中柱宽度a与铁叠厚b的计算对于0.35mm厚两面涂有绝缘漆得热轧硅钢片参考表，参数a、b的选取可以近似取a=38mm因此，b=AK/a=（23.085*100*0.91）/38=55.28mm此时b/a=55.28/38=1.1，满足b=(1.22.0)*a的通常要求。5.3计算绕组线圈匝数1） 求出每伏电压应绕的匝数N0=N/E=103/4.44fBmA=450000/ABm=450000/23.085*9580=2匝式中的Bm=7750高斯（铁心材料过热轧硅钢片）2） 计算各绕组匝数根据N0和各线圈额定电压求出各线圈的匝数，由于考虑到增加5%10%匝数补偿负载压降。此处取补偿系数为5%N1=N0U1=2.*220= 440匝 N3=1.05N0U3=75匝N2=1.05N0U2=231匝 N4=1.05N0U4=13匝5.4计算导线直径d导线的截面积：Ac=I/j.由表选取电流密度j=2.5安/毫米2I1=（1.11.2）S/U1=1.435A d1=0.86mm查表14-15得Q型漆包线漆膜的直径d1=0.92mm同理 I2=1.6A d2=0.9mm d2=0.96mm I3=2.4A d3=1.1mm d3=1.2mm I4=1.7A d4=0.93mm d4=0.99mm根据所求解的数据;可以取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.13副边材料为高强度聚酯包线QZ0.065.5根据绕组尺寸核算窗口面积 a=38mmb=55.28mmc=19mmh=57mmS=23.085cm2 单相壳式变压器图 骨架图由图可知铁心窗口高h=57mm，可求得各绕组每层绕制匝数：N1=0.9h（24）/d1，=54 (匝) N3=0.9h（24）/d3，=42 (匝)N2=0.9h（24）/d2=52 (匝) N4=0.9h（24）/d4，=50 (匝)各绕组所绕层数： M1=N1/N1= 8 层 M3=N1/N3= 2 层 M2=N2/N2= 4 层 M4=N1/N4= 1 层5.6变压器绕组层间绝缘方法各绕组的排布中绝缘垫选用如下：对地（铁心）绝缘用青壳纸（0.12mm）r=0.12mm绕组间绝缘：与对地（铁心）绝缘相同绕组层间绝缘：一次侧绕组青壳纸/厚牛皮纸1=0.12mm二次侧绕组青壳纸/厚牛皮纸2=0.12mm绕组框架用弹性纸1毫米厚，外包对地绝缘共厚1+0.12=1.12mm一次总厚度B由下公式可得t=（t0+t1+t2+t3+t4）=1.28+M1(d1+1)+r+ M2(d2+2)+r+M3(d3+2)+r+M4(d4+2)+r *1.1 代入数据求的t=18.7mm19mm 此绕组宽度小于窗口宽度，此方案可行。5.7外形安装尺寸的确定 通过查表可以确定A=90mm B=125mm C=78mm D=114mm H=117mm 六.参考文献1） 电机学 马宏忠 主编2） 变压器检修简明手册 葛剑青 主编 3） 变压器装配工艺 变压器技术丛书编审委员会 编4） 维修电工技能手册 白公 主编结论设计这个小型变压器，首先要想到的就是变压器的基本结构，只有将参数设置的很好，才能让变压器更好的工作。当参数设定不正确的时候，变压器就会发生异常，甚至不工作或出现危险。按照上问我所写出的计算过程计算变压器的各个参数是很科学的，能很正确又快捷的计算出它们的理论值，对变压器的大概形象有个初步的定性。按照变压器的结构，有些部分对于小型变压器来说没有多大的意义，反而加大了变压器的体积，所以我们在可以省略的情况，先将一些不必要的东西省略，这就是化繁为简，既对变压器本身有好处，又能减低成本。当然，我们也不能不考虑变压器的安全性与稳定性。变压器是为我们服务的电气，如果反到伤害到我们的健康与生命，那都是我们不愿意见到的。其实贵在防范，如果我们正确的操作，并加大安全防范措施，那么我们就能安心的让它为我们服务了。上面我也说了几点变