单相变压器设计与特性研究.doc

1.1.选择本题的目的与意义 自1885年匈牙利利冈茨工厂年轻的工程师发明制造出闭合铁心变压器以来已有100多年历史了。由于电力工业能方便的向工农业生产和人民生活提供方便的能源，所以电力工业在100多年来有了迅速的发展。我国从1949年新中国成立后，随着经济的快速发展，电力工业也同样有了快速的发展特别是改革开放以来，发展更快。变压器是一种静止的电气设备，在一定的功率下，能升高降低电压，变换电流的大小。在日常生产生活领域中使用着各种变压器。变压器的用途广泛，随着我国经济建设高速发展，各种类型的变压器在工农业生产及人们的日常生活中，被广泛用于工厂、矿山和城市建设、如地铁、污水处理等重大工程项目，还进入了港口、发电厂、大学城、商住楼中。因此，对变压器的设计不仅能够方便人民的日常生活而且能够极大地促进国民经济的快速发展。1.2.国内外研究综述变压器的发展经历了三个阶段，分别是发明阶段、完善阶段和提高阶段。提高阶段（1930至今）1930年以后变压器进入改进提高阶段，即采用新材料、改进结构、改进工艺、不断扩大变压器的使用范围。另外计算机的使用也是变压器的发展进入了一个更快节奏中。50年代初，美国首先使用计算机来应用于变压器设计的方案中。到60年代，英国苏联挪威日本等国家，都在变压器的设计方面做了大量探讨研究。我国在70年代开始了变压器的计算机辅助设计研究。1975年，沈阳变压器研究所和中国科学技术大学各自独立运用约束循环遍历法开发自耦变压器优化设计计算程序，完成了变压器的性能参数、结构尺寸的精确计算，并直接应用于生。变压器的优化设计软件开发也得到很大发展。典型的如甘肃工业大学材料科学与工程学院，沈阳变压器研究所开发的变压器优化计算软件，江西变压器有限责任公司的电力变压器设计软件。1.3.本设计的主要工作1.阐述单相变压器设计与特性研究课题选题的目的与意义、国内外研究综述以及使用什么方法进行设计与仿真；2.熟悉单线变压器的结构以及工作原理； 3.建立单相变压器物理模型、数学模型； 4.设计单相变压器，并建立仿真模型 5.分析单相变压器的性能参数。2.单相变压器的概述2.1单相变压器的工作原理在一个闭合的铁心框架上套装两个匝数不同的绕组，就构成一台最简单的变压器如图2-1所示。图中与交流电源相连接的绕组称为一次绕组，与负载阻抗相 图2-1 变压器的工作原理图连接的绕组称为二次绕组。一次绕组中的物理量用下标1来表示，二次绕组中的物理量用下标2来表示。在说明变压器的工作原理时，为简化分析，假设：（1） 一次绕组和二次绕组为完全耦合，即链过一次和二次绕组为同一磁通。（2） 铁心磁路的磁阻为零，铁心损耗也为零。（3） 一次和二次绕组的电阻也等于零。满足这三个条件的变压器称为理想变压器。 下面来分析理想变压器的一次和二次绕组中，电压、电流、功率和阻抗的关系。 2.1.1一次和二次电压的关系 若电源电压为交流正弦电压，通过铁心并与一次、二次绕组相交链的磁通为，当和交变时根据法拉第电磁感应定律和图2-1所示二次绕组的绕向，一次和二次绕组内的感应电动势和应为=-， =- （2-1）式中，和分别为一次和二次绕组的匝数。根据图2-1所示电压和电动势的正方向，一次和二次绕组的端电压和应为 =-= =- （2-2）由式（2-1）和式（2-2）可知 =k =- （2-3）式中，k称为电压比（也称变比），它是一次和二次绕组中感应电动势之比，k=。式（2-3）的第二式表示，对于理想变压器，就数值而言，一次和二次绕组的电压比就等于一次和二次绕组的匝数比，负号表示和的相位差180。因此，要使一次和二次绕组具有不同的电压，只要使它们具有不同的匝数即可，这就是变压器能够变压的原理2.1.2一次和二次电流的关系，若一次绕组的电流为，二次绕组的电流为，从图2-1可见，作用在铁心磁路上的总磁动势应为+。根据磁路的欧姆定律，此磁动势应当等于磁路内的磁通乘以铁心磁路的磁阻。由于理想变压器的铁心磁阻为0所以 +=0 （2-4）于是=-=- (2-5)从式（2-4）和（2-5）可知，对于理想变压器，一次和二次绕组的磁动势总是相等、相反；一次和二次电流之比则等于电压比的倒数，相位差180。2.1.3功率关系和阻抗关系由式（2-3）和式（2-5）可知，一次绕组输入的瞬时功率与二次绕组输出的瞬时功率之间有下列关系：=（-）（-）= (2-6)由此可知，通过电磁感应以及一次和二次绕组之间的磁动势平衡关系，输入一次绕组的瞬时功率将全部传递到二次绕组，并输出给负载。若u和i都是正弦量，这就意味着一次绕组输入的有功功率的等于二次绕组输出的有功功率，输入的无功功率等于输出的无功功率。最后是阻抗间的关系。设二次侧的负载阻抗，用二次绕组的端电压相量和电流相量表示时，=。经过理