小型单项相变压器设计.doc

电机与拖动课程设计小型单相变压器小型单相变压器设计（1） 变压器的结构（1） 铁心：铁心是变压器磁路部分。为减少铁心内磁滞损耗涡流损耗，通常铁心用含硅量较高的、厚度为0.35或0.5mm、表面涂有绝漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。铁心分为铁柱和铁轭两部分，铁柱上套装有绕组线圈，铁轭则是作为闭合磁路之用，铁柱和铁轭同时作为变压器的机械构件。铁心结构有两种基本形式：心式和壳式。（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。（2）变压器的原理 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N1，副绕组匝数为N2。 理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压u1，产生电流i1，建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势e1和e2。图（1）变压器结构示意图根据电磁感应定律可以推导出一次侧和二次侧绕组感应电动势：E1=4.44fN1BmA10-14E2=4.44fN2BmA10-14在式中Bm为铁心中最大的磁通密度（T），A为铁心的截面积（cm2），f为电源频率，工频为50Hz，N1为一次侧绕组的匝数，N2为二次侧绕组的匝数。 将上面两式相比得如果忽略一、二次侧绕组本身的压降，可以认为U1E1、U2E2，于是上式可以化为 =Ku小型单相变压器一般是指工频小容量单相变压器。（3）小型单相变压器的计算小型单相变压器的计算包括额定容量的确定，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四个部分。（1）变压器额定容量的确定二次侧容量 S2=U2I2+U3I3+UnIn式中S2为二次侧的总容量（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）。一次侧绕组容量考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为 S1=（单位为VA）式中为变压器的的效率，小于1且变压器的容量越小也越小，约为0.80.9。表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1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.1（2）铁心尺寸的选择为了减小铁损耗，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2所示。图2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 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2 截面积计算系数K0的估算值 /VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0A=ab=abKc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列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。表3 小型变压器通用的硅钢片尺寸achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.5708095110125140160(3)绕组匝数和导线直径的计算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 式中N0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 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%。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： =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。表4 导线材料的选取螺线直径导线品种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（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 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 各绕组厚度为 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 式中 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，一直达到适中为止。设计要求 计算一台36伏安，220/110伏特的电源变压器，确定其主要数据。 解 1.设硅钢片B=0.9特，则可求铁芯截面积Ac=1.25=1.25=7.5cm22.每伏匝数N0=45/(BAc)=45/(0.97.5)=6.7匝/伏一次侧线圈匝数N1=U1N0=2206.7=1474匝/伏二次侧线圈匝数N2=U2N0=1106.7=737匝/伏考虑电压损耗，二次侧线圈增加5%匝数，即取N2=105%737=774匝3.求导线线径一次电流I1=S/U1=36/220=0.164安培二次电流I2=S/U2=36/110=0.328安培结论通过上面的设计可知：一般的小容量单相变压器的计算内容有四种部分：容量的确定；铁心尺寸的确定；绕组的计算；绕组排列及铁心尺寸的最后确定。变压器的效率80%90% 。对小容量变压器应考虑内部压降，为使在额定负载时二次侧有额定电压应适当的增加二次侧绕组匝数，约增加5%10%的匝数。通过铜损的测定可知，小型变压器的的质量可以从他的空载损耗和短路损耗判断出来，越小越好，同时工作温度也会低 ，并有很好的负载，通过空载电流的测定，铁损较大的变压器，发热量大，安培匝数设计要是不合理，空载电流会大增，就会造成温升增大，有损寿命。心得体会这次课程设计历时一个星期多，通过这次学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。 这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。 在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作（小型单相变压器设计），可是让我得到了很多终生受