电机与拖动课程设计_小型变压器.doc

目录1 小型变压器11.1 变压器的基本结构11.2 变压器的工作原理22 小型变压器参数的设计计算32.1 计算变压器的额定功率：32.2 二次绕组侧的总容量32.3 变压器的额定容量42.4 一次电流的确定42.5.1 选择磁感应强度Bm42.5.2 计算绕组线圈匝数42.5.3 导线的选择52.6 关于线圈绕组的计算52.7 铁心尺寸的计算63 设计一个变压器74 结论10心得体会11参考文献12致谢131 小型变压器变压器是通过电磁耦合关系传递电能的设备，作为变换交流电压的电器，从发电厂到电子设备的小容量电源变压器，可以广乏的应用。用途可综述为：经济的输送电能、合理的分配电能、安全的使用电能。实际上，它在变压的同时还能改变电流，还可改变阻抗和相数。其中小型变压器是指容量1000V.A以下的变压器。这类变压器在生活中的应用非常的广乏。1.1 变压器的基本结构1） 铁心：铁心是变压器主磁路，又是它的机械骨架，铁心由铁心柱和铁轭两部分构成。铁心柱上套绕组，铁轭将铁心柱连接起来形成闭合回路。为了提高磁路的导磁性能，减少铁心中的磁带、耗涡流损耗，通常铁心用高磁导率的磁性材料硅钢片叠成。硅钢片有热轧和冷轧两种，其厚度为0.350.5毫米，两面涂一厚度0.010.13毫米的漆膜，使片与片之间绝缘。铁心型式有两种基本形式：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。图 1-13） 绝缘套管：变压器的引线从油箱内部引到外部时必须经过绝缘套管，使引线与油箱绝缘。绝缘套管一般是磁质的，其结构取决与电压等级。4） 其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱、安全通气。图 1-2 单相心式变压器1 铁柱；2铁轭；3高压线圈；4低压线圈1.2 变压器的工作原理变压器（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。变压器的工作原理基础电磁感应定律。两个相互绝缘的绕组套在同一个铁心上，绕组之间只有磁的耦合而没有电的联系，如图 1-3 所示。其中绕组1接交流电源，称为原绕组或一次绕组，绕组2接负载，称为副绕组或二次绕组。当原绕组接到交流电源时，绕组中产生交流电流流过，并在铁心中产生与外加电压频率相同的交流磁通。这个交变的磁通同时交链着原、副绕组中感应出相同频率的电动势。有了电动势，便可以向负载输出电能，实现了不同电压的等级能量的传递。由于感应电动势的大小与绕组的匝数成正比，因此，改变原、副绕组的匝数即可改变副边绕组的电压。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N2。图 1-3 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和。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。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I2的大小主要取决于负载阻抗模|Zl|的大小，而一次电流I1的大小则取决于I2的大小。当负载的阻抗发生改变时，二次电流发生改变，从而引起一次侧的电流改变。说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。2 小型变压器参数的设计计算2.1 计算变压器的额定功率： P2=U2I2+U3I32.2 二次绕组侧的总容量通常二次侧可能有多个绕组，在忽略各绕组的等效阻抗及负载阻抗的幅角存在差距的情况下，可以认为输出总功率为二次侧绕组输出功率之和，即S2=U2I2+U3 I3+UnIn(VA) 一次绕组的容量对于小容量变压器，由于电功率在绕组传输中的损耗，不能认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，考虑变压器的损耗，一次绕组的容量应为： 式（1）、（2）中 S2变压器二次侧总容量（VA）；U2、U3、Un二次侧各绕组电压的有效值（v）；I2、I3、In二次侧各绕组电流的有效值（A）。变压器的效率，如表 2-1 可查得：表 2-1 小容量变压器效率值二次容量S2小于10（VA）10-30（VA）30-80（VA）80-200（VA）200-400（VA）400以上（VA）060708085090952.3 变压器的额定容量： （单位VA）2.4 一次电流的确定式中 1.11.2考虑到励磁电流的经验系数。U1初级电压（V）2.5 关于绕组线圈的匝数N及选择导线的计算2.5.1 选择磁感应强度Bm一般硅钢片Bm取11.2T ；普通生铁片Bm取（0.60.7T）；热轧硅钢片Bm取1.111.5T；冷轧硅钢片Bm1.51.7T；计算主磁通mm =ABm 2.5.2、计算绕组线圈匝数先求出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 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 F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 然后根据和各线圈额定电压求出各线圈的匝数N1=U1N2=（1.051.10）U2N3=（1.051.10）U3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%。2.5.3 导线的选择 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，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；然后根据和各线圈额定电压求出各线圈的匝数N1=U1N2=（1.051.10）U2N3=（1.051.10）U3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%。2.6 关于线圈绕组的计算各绕组所需层数为 m=线圈的厚度 H1=(d1+f1)+F1式中 f1-层间绝缘厚度，mm F1-线圈间绝缘厚度，mm绕组总厚度为 t=t0+t1+t2+t3+tn)(1.11.2)式中 t0绕组框架的厚度(mm)；根据绕组匝数、线径、绝缘厚度，核算绕组所占铁芯窗口的面积，它应小于实际窗口面积hc，否则绕组有放不下的可能。在电子线路中使用的电源变压器中，为了减小由电源引入的干扰，常在原线圈与副线圈之间加一静电屏蔽层。2.7 铁心尺寸的计算1）计算铁心截面积F小型单相变压器多采用壳式铁心，图3所示，通常可选用标准冲片（例如GEI型或B型）叠制。铁心的中柱截面积F由下面的经验公式确定。图 2-1 小型单相变压器壳式铁心F0F铁心柱的净面积，单位为cm2 K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 2-2 截面积计算系数K0的估算值SN/VA10105050100100500500K021.751.751.51.51.351.351.251.251.02）铁心中柱宽度a与铁心叠厚b的计算确定了铁心截面积F以后，参照选定铁心中柱宽度a,并计算铁心叠厚b。通常取：b=110F/a式中：F铁心面积，单位：cm2 ；a铁心中柱宽度，单位：mm；b铁心叠厚，单位：mm ；有时须适当调整a与b,使b=(1.22)a较为合理。表 2-3 小型变压器通用的硅钢片achAH32164896643819571147645376617111950.825.475152.4101.63 设计一个变压器U1=220V U2=300V U3=40V I2=0.2A I3=0.1A要求设计一个小型变压器，求出剩余参数。1）计算二次侧容量S2=Kb(2U2I2)+U3I3=0.75(23000.2)+400.1VA=94(VA)2）一次绕组的容量S1=110.6(V.A) 3）变压器的额定容量S=(S1+S2)=(110.6+94)=102.3(V.A)4）一次电流I1=（1.11.2） = 5）铁心截面 式中KO按表 2-2 取1 按表 2-3 选用a=32mm的硅钢片，则 取b=35mm,硅钢片尺寸b/a=1.206有表3查得C=16mm h=48mm A=96mm2 H=80mm 6）各绕组的匝数 7）导线直径及导线选择取电流密度j=4A/mm2A=I1/j=0.53/4=0.13mm2查表得导线的直径为d1=0.425mm，查得QZ型漆包线膜后的直径为d1=0.488mm。同理：Ac2=0.075mm d2=0.310mm d2=0.362mmAc3=0.025mm d3=0.180mm d3=0.217mm8）各绕组每层匝数N1=0.9h-(24)/d1= 0.9(48-2)/0.488=85N2=0.9h-(24)/d2= 0.9(48-2)/0.362=114N3=0.9h-(24)/d3= 0.9(48-2)/0.217=1919）各绕组所需层数m1=N1/n1=895/86=10.4取11（层）m2=1.08N2/n2=1.081221/114=11.6取12（层）m3=1.05N3/n3=1.05146/191=0.80取1（层）10）各绕组厚度对地绝缘：两层电缆纸（0.05mm ）,夹一层黄蜡布（0.14mm）,故F=20.05+0.14=0.21（mm）绕组间绝缘，一层青壳纸（0.12mm）层间绝缘：N1绕组及N2绕组用一层电缆纸，f1=f2=0.05mm,N1绕组用一层白玻璃纸,则f3=0.02mm绕组框架用0.5mm弹性纸绝缘,外包对地绝缘厚度为F,其厚度E=(0.5+0.2)=0.7mmH1=m1(d1+f1)+F=11(0.488+0.05)+0.2=6.12mmH2=m2(d2+f2)+F=12(0.362+0.05)+0.2=5.14mmH3=m3(d3+f3)+F=1(0.217+0.02)+0.2=0.44mm11）绕组总厚度 H =1.15（H1 +H2 +H3 +E+2F）=1.15（6.12+5.14+0.44+0.7+20.2）=14.72 C=164 结论通过上面的设计分析可知：一般的小容量单相变压器一次侧有一种电压U1，二次侧电压有几种电压，计算时通常根据给定一次侧电压U1，二次侧电压U2、U3及二次侧负载电流I2、I3来设计出合乎要求的变压器。其主要参数设计包括：额定容量的确定。它要求先计算出副边的负载容量，在考虑的效率的传递求出原边的容量大小，取其平均值作为额定容量，同时在设计的过程中取顶的额定容量稍微大于计算值即可。铁心的选定。当额定容量确定下来，可以根据额定容量与铁心截面积之间的关系选定铁心的截面积，再根据实际生产中的要求确定a的大小，计算b的大小。最后验证三者之间的关系是否满足生产的实际要求，可以作出适当的调整。绕组线圈匝数的确定。根据材料的性质，参考我国设计过程中材料性质对Bm的要求来确定一个适当的数值，然后计算每伏电压所对应的匝数即可计算每边的匝数要求，同时应考虑到实际设计中应使副边稍微大于实际的设计值。导线直径和材料的选取。根据电流与导线直径之间的关系确定直径的大小，然后选取与之对应的材料。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。单相变压器是具有两个线圈的变压结构：变压器主要是由铁心和绕组组成：铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轨两不分，铁心柱上装有绕组，铁轨是联系两个贴心柱的部分。变压器绕组构成设备的内部电路，它与外界的电网直接相接，是变压器中最重要的部件，常把绕组比做变压器的“心脏”。通过铜损的测定可知，小型变压器的空载损耗和短路损耗越小，则质量越好，工作时温升也越低，并且有很好的负载率。通过 空载电流的测定，铁损较大的变压器，发热量必然大，如果是因安培匝数设计不合理，其空载电流会大增，结果造成温升增大，有损寿命。一般环型变压器的空载电流应低于普通插片式变压器的空载电流心得体会通过为期一周的课程设计，我查阅了大量资料。从网络，从图书馆，从课本上获得了大量知识。在自己着手设计时，才明白自己的知识储备是多么浅薄。同时知道了课堂基础知识对自己实践工作的重要性。而且，有疑问时，身边的同学也给了我大量帮助。我也把我自己知道的，别人能够用到的知识毫无保留的提供给别人。在获取知识的同时有增进了团队合作意识。在查阅资料过程中，我对变压器的结构原理的了解增进不少。从小我就喜欢动力机械，却不知道工厂的动力机械所需要的电能是通过许多变压器的变压才得到所需电压的。通过这次设计，我对变压器的认识从好奇、喜欢升级到初步了解，丰富自己的同时又体会到获取知识的快乐。此次为期一周的设计，让我对变压器，小型变压器有了进一步深入了解。此次设计对我来说可谓是收益非浅。我相信这些知识对我的将来一定有用。我一定会好好的利用这些知识。参考文献1电机学 （机械工业出版社 2004年 主编：徐德淦）2电机学 （