小型单相变压器的设计电机与拖动课程设计

1、1 引言我国电力变压器节能产品的发展历史从五十年代初到七十年年代末这三十年中,随着我国经济建设事业的发展,变压器类产品从无到有,发展为几十个系列,其中大部分产品是仿苏热轧硅钢片产品,技术经济指标较低,基本上处于世界上五、六十年代的水平。一九七九年四月,当时的一机部电工总局在长沙召开了电器、电材行业产品更新换代会议,提出“更新的产品要在确保运行安全可靠的前提下,节约能源的奋斗目标。低损耗电力变压器是机械工业十二类节能产品中取得较好成绩的一类产品。1983年大、中、小型低损耗电力变压器生产量达700多万干伏安,其中小型电力变压器约为300万千伏安。这些电力变压器代替五十年代生产的高损耗变压器,全部

2、投入运行后,年节电量约在l2亿度以上。为了进一步节约能源,提高产品的经济效益,中小型电力变压器仍须不断地向前发展。另一方面,在全球化竞争中,虽然我国在小容量方面已经拥有相当的实力,并在国际市场中占有重要的地位,但是在高容量、超高容量变压器方面,我国的技术实力还非常薄弱,这就造成了欧美发达国家高容量、超高容量变压器市场我国无法进入的情况,这将阻碍我国变压器行业今后的发展,需要引起高度的关注。2 小型单相变压器2.1 变压器简介变压器是一种静止的电气设备,它是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成同频率的另一种电压的交流电能,以满足不同负载的需要。在电力系统中,变压器是一个重要的电气设备,它对

3、电能的经济传输,灵活分配和安全使用具有重要的作用,此外,也使人们能够方便地解决输电和用电这一矛盾。输电线路将几万伏或几十万伏高电压的电能输送到负荷区后,由于用电设备绝缘及安全的限制,必需经过降压变压器将高电压降低到适合于用电设备使用的低电压。当输送一定功率的电能时,电压越低,则电流越大,电能有可能大部分消耗在输电线路的电阻上。为此需采用高压输电,即用升压变压器把电压升高输电电压,这样能经济的传输电能。2.2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

4、换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。根据法拉弟电磁感应定律和楞次定律,简单说明如下:当原线圈(就是本来就有电的那组线圈中的电流增大时,这个线圈在铁芯中产生的磁场也增强(磁场的方向可以用右手螺旋定则来判断,这时,在副线圈(就是原本没有通电的那组线圈上就要产生感应电流,感应电流的方向与原线圈中的电流方向相反(这样的结果是副线圈中的电流产生的磁场的方向与原线圈中的电流产生的磁场的方向相反。当原线圈中的电流在减小时,电流在铁芯上产生的磁场也减弱,这时在副线圈中就产生了与原线圈电流方向相同的电流,这个电流在铁芯上产生的磁场方向与原线圈在铁芯中产生的磁场方向相同。如此变化下去,原线圈中由于电流

5、的改变,就在副线圈中产生了电流。这就是变压器的工作原理。2.2.1电压变换当一次绕组两端加上交流电压1u 时,绕组中通过交流电流1i ,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。 dt d N e u 111=-= (1 dt d N e u 2=-=22 (2 k N N E E U U =212121 (3 k U U 12= (4说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。2.2.2电流变换变压器在工作时,二次电流2I 的大小主要取决于负载阻抗模|1Z |的大小,而一次电流1I 的大小则取决于2I 的大小。(5K I I U U I 22121= (6 说明变压器

6、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。2.3 变压器的分类为适应不同的使用目的和工作条件,变压器的类型很多,因此变压器的分类的方法有多种,通常可按用途、绕组数目、相数、铁芯结构和冷却方式等划分类别。按用途分:有电力变压器、特殊用途的电源变压器、测量用变压器、试验用高压变压器、控制用变压器。按绕组数目分:有单绕组(自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。按相数分:有单相变压器和三相变压器。按铁芯结构分:有心式变压器和壳式变压器。按冷却介质和冷却方式分:有干式变压器、油浸变压器等。3 变压器的基本结构电力变压器主要有铁芯、绕组、

7、变压器油、油箱、绝缘套管组成,其基本结构如图1所示。 图1 变压器绕组结构3.1铁芯铁芯是变压器的主磁路,又是变压器器身的骨架。铁芯由铁芯柱、铁轭和夹件组成。变压器铁芯可以分为心式铁芯和壳式铁芯两类,为了提高磁路的导磁性能和降低铁芯的磁滞及涡流损耗,铁芯通常用0.35mm或0.5mm且表面涂有绝缘漆的硅钢片叠制而成。为了保证良好的导磁性能,减少励磁电流,通常是把铁芯柱和铁轭一层一层的交错重叠。为了减少铁芯损耗,大型变压器、干式变压器和近年来生产的节能变压器铁芯,一般采用冷轧硅钢片顺碾压方向,采用斜切硅钢片的叠装方法。3.2绕组绕组是变压器的电路部分,通常用包有绝缘线的铝导线和铜导线绕制而成。根

8、据高、低压绕组在铁芯柱上排列方式的不同,变压器绕组可分为同心式和交叠式两种。同心式的高低压绕组同心地套装在铁芯柱上。为了便于绝缘,一般低压绕组套在里面,高压绕组套在外面,中间用绝缘纸筒隔开。但对于大容量的低压大电流变压器,由于低压绕组引出线的工艺困难,往往是把低压绕组套在高压绕组的外面,高低压绕组之间留有油道,既利于绕组散热又可作为两绕组之间的绝缘用。交叠式绕组交替地套在铁芯柱上。这种绕组高、低压之间的间隙较多,绝缘比较复杂,但漏电抗小,引线方便,机械强度好,主要用在电炉和电焊等特种变压器中。3.3其他除了铁芯和绕组之外,因容量和冷却方式的不同,还需要增加一些其他部件,例如外壳、油箱、绝缘套管

9、等。4 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4.1.1二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n n I U I U I U S +.+=33222 (7式中 2S 二次侧总容量(V·A 2U ,3U ,.n U 二次侧各个绕组电压的有效值(V ;2I ,3I ,.n I 二次侧各个绕组的负载电流有效值(A 。4.1.2一次绕组的容量对于小容量变压器来说,我们不能就认为

10、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S S 21=(单位为V·A (8 式中S 1变压器的额定容量;变压器的效率,约为0.80.9。表4-1 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4-1 小容量变压器计算参考数据 变压器容量 (VA1S 磁通密度m B ×104 T 效率(% 电流密度(2mm A j 铁心计算中的o K 值小于10 60007000 6070 32.5 2105070008000 7080 2.52 21.5 5010080009000 8085 2.52 1.51.3 1005009000

11、11000 8590 2.51.5 1.31.25 50010001100012000 9092 1.51.2 1.251.14.1.3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,+(×21=21S S S (单位为V·A (9 4.1.4一次电流的确定 112.11.1(=U S I (10 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 铁心尺寸的选定为了减小铁损耗,变压器的铁芯是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。其中套

12、有绕组的部分称为铁芯柱,连接铁芯柱的部分称为铁轭,为了减少磁路中不必要的气隙,变压器铁芯在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。ca bha2cb图4-1铁芯的几何尺寸小 容量变压器铁芯形式多采用壳式,中间芯柱上套放绕组,铁芯的几何尺寸如图4-1所示。小容量芯柱截面积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2cm 。 S A K 0= (11式中A 铁心柱的净面积,单位为cm ²Ko 截面计算系数,与变压器额定容量S n 有关,按表4-2选取,当采用优质冷轧硅钢片Ko 时可取小些截面积计算系数Ko表4-2 截面积计算系数Ko 的估算值计算心柱截面积A 后,就可确定心柱

13、的宽度和厚度,a b 2=22=2×=a a a ab A (12 可求、b aSn/V A<10 1050 50100 100500 >500K21.75 1.751.5 1.51.35 1.351.25 1.251.0式中 a 芯柱的宽度(cm ; b 芯柱的净叠厚(cm ;按A 的值,确定a 和b 的大小,一般取a b 0.22.1( ,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a c h 'AH 13 16 19 22 25 28 32 38 44 50 58 64 7.5 9 10.5 1

14、1 12.5 16 18 19 22 25 28 3222 24 30 33 37.5 42 48 57 66 75 84 9640 50 60 66 75 84 96 114 132 150 168 19234 40 50 55 62.5 70 80 95 110 125 140 1604.3 绕组的匝数与导线直径4.3.1 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A fB E N N m 44.41=0(130N 对应于每伏电压的匝数,单位:匝/VBm 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

15、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:UN N 11= (1420210.105.1(=U N N (15U N N30310.105.1( (16式中2N 、2N 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%。4.3.2 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

16、践经验,通过导线的电流密度J 不能过大,对于一般的气自然冷却工作条件,J=23A/2mm 。对于连续工作时可取J=2.5A /2mm 导线的截面积:JIA = (17导线的直径:JId 4=(18 导线直径根据工作电流计算 ,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0.06 0.140.15 0.21 0.23 0.33 0.35 0.49 0.51 0.62 0.64 0.72 0.740.96 1.01.741.812.02

17、 2.12.44高强度聚酯漆包线 0.030.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13 硅有机单玻璃丝包线 0.20 0.22 0.22 0.24 硅有机双玻璃丝包线 0.250.270.270.28 4.4 绕组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'42(9.0d h N c -=(19d '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c Nm N =(20各绕组厚度为(i i i i t m d '=+ (

18、21螺 线 直径导线 品 种i=1,2,n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2.11.1(.(210+=t t t t n t (22t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t>c,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

19、步骤重复计算和核算,至合适时为止。5 总体计算 图5 三绕组变压器设计一台小型单相变压器,如上图所示,已知VU 2201=VU 5002=VU 303=A I 1.02= A I 4.03=。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 计算副边的容量:65=0.5×30+0.1×500=+.+=33222n n I U I U I U S A(V计算原边的容量:根据表4-1:小型单相变压器的效率的估算值可以取=0.82(3.79=82.065=21A V SS计算变压器的额定容量(15.72=3.79+65(×5.0=+(×21

20、=21A V S S S考虑到存在着一定的损耗,故可以定变压器的额定容量n S 近似取75A(V计算变压器的一次电流(30.0=22065×2.1=×2.1=111A U S I式中1.2是励磁电流的经验系数2、铁心尺寸的选定计算铁心截面积AS A K 0=根据表4-2.截面积计算系数K 0的估算值可以取K 0=1.4012.12=75×40.1=0n S A K (cm ²计算芯柱截面积A 后,就可确定芯柱的宽度和厚度,一般取ab 0.22.1(取a b 5.1=(cm a a a a ab A ab 8.2=1.12=5.1=5.1×=2=

21、2由表3-3得,a 取28mm 。计算绕组线圈匝数求出每伏电压应绕的匝数1.3=10×1.12×2.1×50×44.41=44.41=4-0A fB E N N m (匝V /式中的T B m 2.1=(铁心材料国热轧硅钢片根据0N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数682=220×1.3=×=101U N N17051.1×500×1.3=×=202U N N1021.1×30×1.3=×=330U N N式中1N 、2N 、3N 为各线圈的匝数。为补偿负载时漏阻抗压降,本次

22、设计副边各线圈的匝数均增加了10%。4、计算导线直径d5、导线的截面积:12.0=5.23.0=11J I A C 导线的直径:14.0=12.0×13.1=4=11J I d 副边导线截面:04.0=5.21.0=22J I A c 16.0=5.24.0=33J I A c 副边导线直径:23.0=2.0×13.1=4=22J I d 45.0=4.0×13.1=4=33JI d 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 ;根据计算出导线的直径查表3-4,可选原边材料厚度为0.03mm 的高强度聚酯漆包线,副边

23、材料厚度2N 为0.05mm 的高强度聚酯漆包线,3N 为0.06mm 的高强度聚酯漆包线。因为高强度聚酯漆包线导电性能好,绝缘漆有足够的耐热性能,并且有一定的耐腐蚀能力,所以选用高强度聚酯漆包线。绕组(线圈排列及铁心尺寸的最后确定原边绕组每层的匝数:(212=03.0+14.02-42×9.0=2-9.0=/(d h N C副边绕组每层的匝数:(129=05.0+23.02-42×9.0=2C N(71=06.0+45.02-42×9.0=3C N各绕组所需层数为:C N Nm原边层数:3=212682=1m副边层数:13=1291705=2m5.1=71102=3m原边绕组的厚度为:(6.1=1+03.0+17.0×3=+=1/111d m t副边绕组的厚度为:(42.5=1+06.0+28.0×13=+=2'222d m t(87.1=1+07.0+51.0×5.1=+=3'333d m t绕组总的厚度为:78.9=1.1&