小型单相变压器设计与相关计算

1、小型单相变压器设计1、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。1.1变压器的基本结构1、1、1主要组成铁心为了减少铁损耗，变压器的贴心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶体片制成。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轴，为了减少磁路中不必要的气隙，乡邻两层硅钢片

2、的接缝要相互错开。2绕组变压器的绕组用绝缘导线或扁导线绕成，实际变压器的高，低压绕组并不是分装在两个铁心柱上，而是同心地套在同一个铁心柱上的。为了绝缘的方便，通常低压绕组在里面，靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面。3其他除铁心和绕组外，因容量和冷却方式的不同，还需要增加一些其他部件，例如外油绝缘套等等。1、1、2主要类型按相数的不同，变压器可分为单向相变压器和三相变压器等。按每相绕组数量的不同，变压器可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和白耦变压器等。按结构形式的不同，变压器可分为心式和壳式两种。心式变压器的特点是绕组包围着铁心。脆变压器用铁量较少，构造简单，绕组的安装和绝缘比较容

3、易，多用于容量较大的变压器中。壳式变压器的特点是铁心包围绕组。脆变压器用铜量少，多用于小容量变压器中。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，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Ni，副绕组匝数为N2图1变压器结构示意图理想状况如下不计

4、电阻、铁耗和漏磁，原绕组加电压u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©和巳。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流i0，这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流i2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流i0,一部分为用来平衡i2,所以这部分电流随着12变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。2、1电压变换当一次绕组两端加上交流电压ui时，绕组中通过交流电流、在铁心中将产生既与一次绕

5、组交链，又与二次绕组交链的主磁通。1-11-21-3一叫"1-4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电流变换变压器在工作时，二次电流12的大小主要取决丁负载阻抗模|Z1|的大小，而一次电流11的大小则取决丁12的大小。乂U1I1U2I21-511I2Ui21-6说明变压器在改变电压的同时，亦能改变电流。2.3阻抗变换变压器的二次绕组接有阻抗模|Zl|的负载时，假设忽略Zi,乙和|0,则|Zl|=U2/I2=U/(K2*I1)UI与I1之比相当于从变压器一次绕组看进去的等效电阻模|Ze|=k2|Zi|可见，当负载直接接电源时，电源的负载阻抗模为|Zl|,通过变压器

6、接电源时，相当于将组抗模增加到|Zl|的k2倍，在电子技术中经常利用变压器的这一阻抗变换作用来实现“组抗匹配”2、4电压比N1一次侧绕组的匝数;N二次侧绕组的匝数。UENU2E2-N2-Ku当N1>N2时，Ku>l,此时U1>U2.这时的变压器称为降压变压器当N1vN2时，KuV1,此时U1vU2,这时的变压器称为升压变压器3、设计内容计算内容有四部分：额定容量确实定；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额定容量确实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KVAJg示。3、1、1一次绕组的容量对于小容量

7、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S1=单位为VA03-2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谷量SvA磁通密度Bm/X104T效率门电流密度j/(Amm2)铁心计算中的K0值小于10600070006070210507000800070802.52501008000900080852.5210050090001100085905001000110001200090923、1、2二次侧总容量小容量单

8、相变压器二次侧为多绕组时，假设不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差异，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S2U2I2U3|3.Un|n3一1式中S2二次侧总容量vAU2,U3,Un二次侧各个绕组电压的有效值V；I2,I3,In二次侧各个绕组的负载电流有效值A。3、1、3确定变压器的额定容量变压器的二次容量为Sa=U2I2+U3I3+tJJn式中S2变压器二次容量，VAU2、U&-Un-一二次各绕组电压有效值，v;I2、I3、In二次仍各绕组电流有效值.A。变压器在传递功率过程中，本身存在着铁损和铜损，故一次容量比二次容量大。7式中门一一变压器的效率。

9、门总是小于1,变压器的容量越小，门也越小，v的数值见表1:表1:小容量变压器效率值二次容,小于10103030F30-200200-400400以匕§(VA；(VA)(VA)<VA)(VAJ<VA)0.60.7O.S0850.9C.95变压器的额定容量:3、2铁心尺寸的选定3、2、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轴，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

10、。图4小容量心柱截面积A大小与其视在功率有关，一般用以下经验公式计算单位为cm23-5AK°SA铁心柱的净面积，单位为c书K。一一截面计算系数，与变压器额定容量Sn有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时K。可取小些截面积计算系数K。表3-2截面积计算系数K。的估算值Sn/VAV10105050100100500>500K0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3-6Aabab'Kc式中a心柱的宽度mrti;b心柱的净叠厚mm；b'心柱的实际厚度mm；Kc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

11、厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.93;对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.91;对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc=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achAH13224034169245040193060502211336655257528144284703216489680381957114954422661321105025751501255828841681406432961921603、3绕组的匝数

12、与导线直径.3、3、1计算每个绕组的匝数设Ni表示变压器每感应1V电动势所需绕的匝数，即LE-444>BmA关于BE直，不同的硅钢片是不一样的，当变压器容量在100vA以下，通常冷轧硅钢片DW24035、DW2651.0T;当变压器容量为1001000VA时，BmM1.0一1.2T。1.0T之间。设计时二次侧的绕组应增加5%的匝数，以便补偿负载时的电压降。3、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QC©）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，贝U电流密度大，可节省材料，但铜耗增加，温升增高。小容量变压器是白然冷却的干式变

13、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，对于一般的空气白然冷却工作条件，J=23A/mrK对于连续工作时可取J=2.5A/mm2导线的截面积：A=I/j.导线的直径:导线直径可根据工作电流计算，式中：d一原、副边各线圈导线直径，单位：mmI一原、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导、_直线、径品种0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.1高强度聚酯漆包线硅有机单玻璃丝包线硅有机双玻璃丝包线3、4绕组及

14、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Nc0.9h(24)3-11式中d一绝缘导线外径mm；h铁心窗高mm；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tim(dii)3-13i=1,2,n式中一一层间绝缘厚度mm,导线较细0.2mm以下，用一层厚度为白玻璃纸，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t(t0t1t2.tn)d"1.2)3-1

15、4式中t0绕组框架的厚度mm；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,假设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。4、实例计算?一如上图所示，取Ui220VU2300VU350V20.2AI30.1A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：S2=U2I2+U3I3=300*0.2+50*0.1=65(VA)2)计算原边的容量：SS2/门根据表1：小型单相变压器的效率门的估算值可以取T因此，S1S2/1=65/0.82=79.3(VA)3计算变压器的额定容量

16、Sn=1/2&S2=0.5*65+79.3=72.2(VA)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75VA2、铁心尺寸的选定1计算铁心截面积AA=K0Sn根据表2.截面积计算系数K0的估算值可以取K0因此，A=kOvSn775=12.1cm22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，b=110F/ab=(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zN103A450000NoA-E4.44fBmABm=3.4匝/V式中的Bm=1.1T(铁心材料国热轧硅钢片)2)根据N0和各线圈额定电压求出各线圈的匝数

17、ni=NoU1=3.4*220=748N2=1.10NoU2=1.10*3.4*300=1122N3=1.10NoU3=1.10*3.4*50=1874、计算导线直径d导线的截面积：Ac=I/j.SIi(1.11.2)U1=1.15*79.3/220=0.415(A)Acmm2同理：Acmm2d2mmAcmm2d3mm五、结论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：容量确实定；铁心尺寸确实定；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%小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%J匝数

18、。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、心得体会这次课程设计是我第一次做课程设计，通过这次设计，我感觉到这不仅是对前面所学知识的一种检验，更是对白己实践动手能力的一种提高。通过课程设计我有了一些白己的理解，在这里我要对整个课程设计的过程做一下简单的总结。选题是毕业设计的开端，更是对白己学习东西检验的一个见证，同学们都会根据白己掌握的比较好的知识段去选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个课程设计是否能够顺利进行并且获得好成绩关系极大。这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至做不出白己满意的课程设计，难以到达目的地。因此选题时一定要考虑好。没有努力就不会有收获，通