变压器设计第四组

1、小型单相变压器设计小型单相变压器简介变压器是通过电磁耦合关系传递电能的设备，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。小型变压器指的是容量1000V.A以下的变压器。最简单的小型单相变压器由一个闭合的铁心(构成磁路)和绕在铁心上的两个匝数不同、 彼此绝缘的绕组(构成电路)构成。这类变压器在生活中的应用非常广泛。一、 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换成频率相

2、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，副绕组匝数为。图（1）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。（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。 （1-1） （1-2）（） （1-3） （1-4）说明只要改变原、副

3、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。 （1-5） （1-6）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。二、 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、

4、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（2）3、 其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。图（3）单相心式变压器1铁柱；2铁轭；3高压线圈；4低压线圈三、 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。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

5、视在功率之代数和，即 （3-1）式中 二次侧总容量（V·A）,二次侧各个绕组电压的有效值（V）；, 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V·A） （3-2）式中S1变压器的额定容量；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V·A磁通密度×10T效率（%）电流密度铁心计算中的值小于1060007000607

6、032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.1(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， （单位为V·A） （3-3）(4) 一次电流的确定 （3-4）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。2、 铁心尺寸的选定(1) 计算铁心截

7、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。图（4）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 ）。 （3-5）A铁心柱的净面积，单位为cm2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 截面积计算系数的估算值/VA1010505010010050050021.75

8、1.751.51.51.351.351.251.251.0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 （3-6）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）；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=(1.2-2.0)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

9、压器通用的硅钢片尺寸achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496 405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401603、 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=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数 （3-7）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 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.

10、0-1.2T；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 （3-8） （3-9） （3-10）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） 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

11、.5A/mm2导线的截面积：Ac=I/j. 导线的直径： 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0.2

12、00.220.220.24硅有机双玻璃丝包线0.250.270.270.284、 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 （3-11）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 （3-12）各绕组厚度为 （3-13）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

13、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 （3-14）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，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。四、实例举例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S=320V·A1）选择原边容量S1=320V·A2）计算副变容量S2=S1*根据表1：小型单相变压器的效率由实际估算可以达到很高，又由于本实验的的取值范围是0.850.9故这里可取=

14、0.9因此，S2=S1·=320·0.9=288（V·A）3) 计算变压器的额定容量4) SN=1/2(S1+S2)=0.5*(320+288)=304 (V·A)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304V·A2、铁心尺寸的选定1）计算铁心截面积AA= 根据表2.截面积计算系数K0由于容量较大，故估算值可以取K0=1.25因此，A=21.79mm22） 铁心中柱宽度a与铁叠厚b的计算，根据截面积查袖针电工手册，可选取硅刚片的型号为GEIB-40,如图4 图4根据表3.3参数a、b的选取可以近似取a=40mm因此，b=71.7

15、8mm 取b'=72mm此时b/a=72/40=1.8 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N0=N/E=103/4.44fBmA=450000/ABm=2.065匝式中的Bm=10000 高斯（铁心材料过热轧硅钢片）2） 根据N0和各线圈额定电压求出各线圈的匝数，由于考虑到增加5%匝数补偿负载压降。N1=N0U1=455 匝 N2=(1.051.10)N0U2=1.05N0N2=79匝4、 计算导线直径d导线的截面积：Ac=I/j.由于截面积较小，选取电流密度j=2.5安/毫米2I1=（1.11.2）S/U1=1.644AAc1=1.6

16、44/2.5=0.66mm2d1=0.92mm查表14-15得Q型漆包线漆膜的直径d1=1.01mm同理：Ac2=4.18mm2 d2=1.46mm d2=1.57mm根据所求解的数据;可以取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.09副边材料为高强度聚酯包线QZ0.11复核电流密度j=0.45/0.1521=2.5在（ 2.51.5 ）范围内5、 根据绕组尺寸核算窗口面积由图可知铁心窗口高h=66 毫米，可求得各绕组每层绕制匝数：N1=0.9*h（24）/d1=55.25 取56 (匝)N2=0.9*h（24）/d2=35.54 取36 (匝)各绕组所绕层数：M1=N1/N1=8.125 取9层M

17、2=N2/N2=2.19 取3层各绕组的排布中绝缘垫选用如下：对地（铁心）绝缘用两层电缆纸（0.07毫米）加一层黄蜡纸（0.14毫米）厚度：r=2*0.07+0.14=0.28毫米绕组间绝缘：与对地（铁心）绝缘相同绕组层间绝缘：一次侧绕组较细用百玻璃纸一层1=0.05毫米二次侧绕组较粗用电缆纸一层2=0.07毫米绕组框架用弹性纸1毫米厚，外包对地绝缘共厚1+0.28=1.28毫米总厚度B由下公式可得B=（B0+B1+B2）=1.28+M1(d1+1)+r+ M2(d2+2)+r *1.1=15.31此绕组宽度正好小于窗口宽度22，此方案可行。此变压器数据如下表：容量（伏安）一次侧电压=220伏

18、铁芯截 面积S( 厘米2)每伏需绕匝数（匝/伏）参考铁芯尺寸（毫米）电流（安）裸导线直径（毫米）8000高斯中心柱宽*迭厚a*b(毫米)AHchj=2.5(安/毫米2)100.0450.153.951416×2856481028200.0910.215.61019×346757.51233.5250.1130.246.158.719×376757.51233.5300.1370.266.85822×3678671439400.1810.307.86.922×4178671439420.1910.318.36.726×359081174

19、7500.2270.348.89.222×4678671439实例3201.6440.920.2179240*7284962266五、 结论在本次的课程设计也是以电机与拖动我们的教材为主线，我们基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。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

20、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。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：1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。2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核心。六、心得体会单相变压器的设计过程使我对变压器有了更深刻的认识，了解了一些变压器的参数。同时，学会了一些基本使用电工手册的方法。设计过程中深刻

21、体会到了课本的重要性，同时通过老师对课题的深入讲解，我们把所学知识有机的结合起来，使之成为一个整体，而不是孤立的去看部分，充分运用所学知识，并在实践中运用，从而使我们的知识不仅仅局限在课本，而同实际联系更紧密，进而加深了我们对本课程的认识。同时理解了团队合作的重要性。但在设计过程中有一些欠缺 ：（1）对设计目的不明确的情况下，盲目的开始工作；（2）对参数的计算不认识造成重新开始计算；（3）对工具书的认识不明确，不会合理利用工具书；我相信这次设计必然会对以后的工作奠定一定基础，使我们提前感受到了设计工作的心态、认真、合作、创新。七、 主要参考文献1 沙振舜编著。 电工实用技术手册。 江苏科学技术

22、出版社，2002年 2 唐介编著。 电机与拖动。 北京高等教育出版社，2003年3 电工手册编写组编。 电工手册。上海科学技术出版社，1978年4 方大千编。 电工速算手册。 福建科学技术出版社，2003年5 周励志编 实用电工计算手册 辽宁科学技术出版社，1990年Small single-phase transformer designTransformer is passed through the electromagnetic coupling between electric power equipment, uses can be summarized as follows: t

23、he delivery of economic power, a reasonable distribution of electricity, safe use of electricity. In fact, it can change the current transformer at the same time, but also to change the impedance and phase number.Refers to the capacity of a small transformer transformer 1000V.A below. The simplest o

24、f small single-phase transformer by a closed iron core (which forms the magnetic circuit), and around two turns on the core differences between the winding insulation (a circuit) form. Such transformers in life is widely used.The main function of the transformer are: voltage transform; impedance transformation; isolation; Regulators (magnetic saturation transformers), etc., commonly used in transfo