电气工程课程设计-小型单相变压器设计.doc

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 电气工程课程设计 题 目 小型单相变压器设计 院 系 电气信息工程学院电气工程系 专业班级 电气 学生姓名 学生学号 指导教师 2012年 7月 18 日东北石油大学课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 小型单相变压器设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 主要内容： 本文小型单相变压器设计内容为单相变压器，包括单相变压器的结构及参数确定。因此，在单相变压器的设计中，只有了解单相变压器的结构和原理，正确计算参数，才能最终设计出合理，实用的单相变压器。 根据单相变压器的基本结构和工作原理，先通过测量计算二次侧总容量和一次侧总容量得出变压器的额定电容，然后通过测量铁芯的宽度和厚度来确定铁芯截面积，继而选定铁芯尺寸，再者测量绕组扎数和导线的直径，最后通过前几步的测量计算，绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的最后确定。 参考资料：1 许实章.电机学（下册）(第2版）M 北京：机械工业出版社，1990.2 唐介电机与拖动M 北京：高等教育出版社，20033 汤蕴璆电机学M 西安：西安交通大学出版社，1993.4 刘传彝电力变压器设计计算方法与实践M 沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.完成期限 2012.7.10至2012.7.18 指导教师 专业负责人 2011年 7 月 9 日电气工程课程设计（报告）目 录1 变压器的工作原理11.1 电压变换11.2 电流变换12 变压器的基本结构23 设计内容23.1 额定容量的确定23.2 贴心尺寸的选定43.3 绕线的匝数与导线直径53.4 绕组（线圈）的排列及贴心尺寸的最后确定74 实例计算75 结 论9参考文献101 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。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）。图1 变压器基本结构图1.1 电压变换当一次绕组两端加上交流电压u1时，绕组中通过交流电流i1，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) (3) 说明只要改变原副绕组的匝数比，就能按要求改变电压。1.2 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。又 (4) (5)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。2 变压器的基本结构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。一次侧二次侧图2 变压器绕组结构图3 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。3.1 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 （4） 式中 为二次侧总容量（VA）； 为二次侧各个绕组电压的有效值（V）； 为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（单位为VA） (5) 式中 为变压器的额定容量； 为变压器的效率，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磁通密度效率（%）电流密度铁心计算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.13.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， （单位为VA） (6) 4.一次电流的确定 (7) 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。3.2 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。2cahbahcb图4 变压器铁心小容量心柱截面积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）。 (8) A为铁心柱的净面积，单位为()；为截面计算系数，与变压器额定容量有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时可取小些截面积计算系数。表3-2 截面积计算系数K0的估算值Sn/VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0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 （9）式中 a为心柱的宽度（mm）； b为心柱的净叠厚（mm）； 为心柱的实际厚度（mm）； 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，=0.93；对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，=0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片,=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achAH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401603.3 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=4.44fBmA，若频率f=50Hz，可得出每伏所需的匝数 (10) 式中 为对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V； Bm为铁心柱内工作磁密最大值，单位：T； A为铁心柱截面积，单位：。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 (11) (12) 式中 为线圈的匝数。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 （13)导线的直径 (14)导线直径可根据工作电流计算，式中： d为原、副边各线圈导线直径，单位：mm； I为原、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。表3-4 导线材料的选取螺线直径导线品种螺线直径导线品种螺线直径导线品种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0.200.220.220.243.4 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 （15）式中 为绝缘导线外径（mm）； h为铁心窗高（mm）； 0.9为考虑绕组框架两端厚度的系数； （24）为考虑裕度系数。各绕组所需层数为 （16）各绕组厚度为 （17） i=1，2，n式中 为层间绝缘厚度（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； 为绕组间的绝缘厚度（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 （18） 式中 为组框架的厚度（mm）； 1.11.2为考虑裕度的系数。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。N1N3N2N2U1I1U2U2I2I312345674 实例计算如上图所示，取。计算变压器的主要参数，并选择可行的材料。解：1、计算变压器的额定容量SN1)计算副边的容量：2)计算原边的容量： （19） 根据表1：小型单相变压器的效率的估算值可以取=0.82 因此， =55/0.82=67.0 (VA)3)计算变压器的额定容量4)考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60VA2、铁心尺寸的选定1)计算铁心截面积A （20） 根据表2.截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.40 因此， =10.8（）。2)铁心中柱宽度a与铁心叠厚b的计算 根据表3.参数a、b的选取可以近似取a=28mm， 因此， 此时， 满足b=(1.22)a的通常要求。3、计算绕组线圈匝数1)求出每伏电压应绕的匝数 =3.5（匝/V） 式中的=1.1T(铁心材料国热轧硅钢片)。2)根据和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 4、计算导线直径d 导线面积： (21) 同理： 根据所求解的数据：可以取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.06副边的材料为高强度聚酯包线QZ0.05。5 结 论一般的小容量单相变压器的计算内容有四部分：容量的确定；贴心尺寸的确定；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，同时工作的温度也会低，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，如果安培匝数设计不合理，空载电流会增大，就会造成温升增大，有损寿命。单项变压器具有两个线圈的变压结构：变压器主要有铁芯和绕组组成：1. 铁心是变压器的主磁路，有座位绕组的支撑骨架，铁心分铁心柱和铁轨两部分，铁心柱上装有绕组，铁轨是联系两个铁心柱的部分。2.变压器绕组构成设备的内部电路，它与外界电网直接相接，是变压器中最重要的部件，常把绕组比作变压器核心。11参考文献1 许实章.电机学（下册）(第2版）M 北京：机械工业出版社，1990.2 唐介电机与拖动M 北京：高等教育出版社，20033 汤蕴璆电机学M 西安：西安交通大学出版社，1993.4 刘传彝电力变压器设计计算方法与实践M 沈阳：辽宁科学技术出版社， 2002.5 李华德电力拖动控制系统M 北京：电子工业出版社，20066 刘进军电力电子技术（第5版）M 北京：机械工业出版社，20107 陈伯时电力拖动控制系统-运动控制系统M 北京：机械工业出版社，20038 汤天浩电机及拖动基础M 北京：机械工业出版社，2005东北石