小型單相變壓器設(shè)計

1、單相變壓器設(shè)計1. 變壓器的工作原理變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換等，變壓器常用的鐵心形狀一般有E型和C型鐵心。變壓器是利用電磁感應(yīng)原理將某一電壓的交流換成頻率相同的另一電壓的交流電的能量的變換裝備。變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組，如圖（1）所示。一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負載，稱為副繞組（二次繞組、次級）。當(dāng)交流變壓器U1加到一次側(cè)繞組，同時也穿過二次側(cè)繞組，它分別在兩個繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這時如果二次側(cè)與外電路的負載接通，便有交流I2流出，負載端電壓即為U2。原繞組各量用下標(biāo)1表示，副繞組各量用下標(biāo)2表示。原繞組匝數(shù)為N1，副繞組匝數(shù)

2、為N1。圖（1）變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 圖（2）變壓器簡化電路圖1.1電壓變換當(dāng)一次繞組兩端加上交流電壓U1時，繞組中通過交流電流I1，在鐵心中將產(chǎn)生既與一次繞組交鏈，又與二次繞組交鏈的主磁通，主磁通在一次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e1。u1、i1、e1等的參考方向的設(shè)定與交流鐵心線圈電路相同。E1=-j4.44N1f （1-1） （1-2） （1-3）變壓器一、二次繞組的電動勢之比稱為變壓器的電壓比，K為變比。 （1-4） （1-5）說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,也就是改變N1、N2，就能按要求改變電壓。1.2電流變換變壓器在工作時，二次電流I2的大小主要取決于負載阻抗模|Z1|的大小，而一次電流I1

3、的大小則取決于I2的大小。又因 （1-6） 所以 （1-7）說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。小型變壓器的原理：小型單相變壓器一般是指工頻小容量單相變壓器。2 變壓器的基本結(jié)構(gòu)2.1變壓器結(jié)構(gòu)a)鐵心：鐵心是變壓器磁路部分。為減少鐵心內(nèi)磁滯損耗渦流損耗，通常鐵心用含硅量較高的、厚度為0.35或0.5mm、表面涂有絕漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵心分為鐵柱和鐵軛兩部分，鐵柱上套裝有繞組線圈，鐵軛則是作為閉合磁路之用，鐵柱和鐵軛同時作為變壓器的機械構(gòu)件。鐵心結(jié)構(gòu)有兩種基本形式：心式和殼式。鐵心 在疊裝時如圖所示。1 23 4（a）奇數(shù)層2314（b）偶數(shù)層b)繞組：繞組是變壓器的電路部分

4、。一般采用絕緣紙包的鋁線或銅線繞成。為了節(jié)省銅材，我國變壓器線圈大部分是采用鋁線。c)其它結(jié)構(gòu)部件：儲油柜、氣體繼電器、油箱，鐵柱；鐵軛；高壓線圈；低壓線圈2.2主要類型按相數(shù)的不同變壓器可分為單相變壓器和三相變壓器等。按每相繞組的數(shù)量不同，變壓器可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、多繞組變壓器和自耦變壓器等。按結(jié)構(gòu)形式的不同，變壓器可分為心式和殼式兩種。心式變壓器的特點是繞組包圍著鐵心。此類變壓器用鐵量較少，構(gòu)造簡單，繞組的安裝和絕緣比較容易，多用于容量較大的變壓器中。殼式變壓器的特點是鐵心包圍繞組。此類變壓器用銅量少，多用于小容量變壓器中。按用途的不同，變壓器可分為電力變壓器、電爐變壓器、整

5、流變壓器、儀用變壓器等。按冷卻方式的不同，變壓器可分為干式變壓器，油浸式變壓器2.3額定值變壓器上的銘牌的標(biāo)注，就是這臺變壓器的額定值，額定值的作用是說明變壓器的工作能力和工作條件。運行值不可超過額定值，否則會造成儀器的損壞。變壓器的額定值有如下幾種：1額定電壓U1N/U2N如果是單相變壓器，其額定電壓是指變壓器在空載運行時高、低壓繞組電壓的額定值。2額定電流I1N/I2N單相變壓器的額定電流是指變壓器在滿載運行時高低壓繞組的電流值3額定容量SN額定容量簡稱容量，是指變壓器視在功率的額定值。單相變壓器中 SN=U2NI2N=U1NI1N （2-1）4額定頻率fN我國規(guī)定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率fN=50

6、HZ3. 設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容分為如下部分：額定容量的確定；鐵心尺寸的選定；繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑；繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。3.1額定容量的確定變壓器的容量又稱視在功率，是指變壓器二次側(cè)輸出的功率，通常用KVA表示3.1.1二次側(cè)總?cè)萘?小容量單相變壓器二次側(cè)為多繞組時，若不計算各個繞組的等效的阻抗及其負載阻抗的幅角的差別，可認為輸出總視在功率為二次側(cè)各繞組輸出視在功率之代數(shù)和，即： （3-1）式中 S2 表示二次側(cè)總?cè)萘?。U2、U3UN表示二次側(cè)各個繞組電壓的有效值（V）；I2、I3IN表示二次側(cè)各個繞組的負載電流有效值（A）。3.1.2一次繞組的容量對于小容量變壓器來說，我們不能就

7、認為一次繞組的容量等于二次繞組的總?cè)萘?，因為考慮到變壓器中有損耗，所以一次繞組的容量應(yīng)該為 （3-2）式中分母表示變壓器的效率，約為0.80.9。3.1.3變壓器的額定容量由于本次設(shè)計為小型單相變壓器，所以不考慮在三相變壓器中的情況，只考慮在小型單相變壓器的情況。小型單相變壓器的額定容量取一、二繞組容量的平均值。 S=×（S1+S2） （3-3）3.1.4一次電流的確定 （3-4）式中(1.11.2)考慮勵磁電流的經(jīng)驗系數(shù)，對容量很小的變壓器應(yīng)取大的系數(shù)。3.2鐵心尺寸的選定3.2.1計算鐵心截面積A為了減小鐵損耗，變壓器的鐵心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶材料制成。其中套有繞組的部

8、分稱為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱為鐵軛，為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器鐵心在疊裝時相臨兩層硅鋼片的接縫要相互錯開。A鐵心柱的凈面積，單位為cm2K0截面計算系數(shù)，與變壓器額定容量Sn有關(guān)，按表3-1選取，當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時K0可取小些截面積計算系數(shù)K0。表3-1 截面積計算系數(shù)K0的估算值S2/(VA)0-1010-5050-500500-10001000以上K021.75-21.4-21.2-1.41計算心柱截面積A后，就可確定心柱的寬度和厚度 A=ab=ab；kc （3-5）式中 a鐵心柱的寬度（mm）；b鐵心柱的凈疊厚（mm）；b；鐵心柱的實際厚度（mm）；按A的值，確定a和b的

9、大小，答案是很多的，一般取b=(1.22.0)a，,并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-2列出了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表3-2 小型變壓器通用的硅鋼片尺寸ach A，H1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.5708095110125140160本設(shè)計的鐵心采用硅鋼片，也可用如下經(jīng)驗公式： A= （3-6）3.3繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑3.3.0 計算主磁通 m=ABm （3-7）3.3.1計算每伏

10、電壓應(yīng)繞的匝數(shù)從變壓器的電勢公式E=4.44fNBmA,若頻率f=50Hz,可得出每伏所需的匝數(shù) （3-8） N0對應(yīng)于每伏電壓的匝數(shù) ，單位：V/ 匝 Bm鐵心柱內(nèi)工作磁密最大值，單位：T A鐵心柱截面積，單位：cm2當(dāng)鐵心材料國熱軋硅鋼片時，取Bm=1.0 1.2T；采用冷軋硅鋼片時，可取Bm=1.21.5T然后根據(jù)N和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)。 N1=N0U1 （3-9） N2=(1.051.10)N0U2 （3-10） N3=(1.051.10)N0U3 （3-11）式中N1、N2 Nn各線圈的匝數(shù)。所以可得直接計算公式 （3-12） （3-13）為補償負載時漏阻抗壓降，副邊各線

11、圈的匝數(shù)均增加了5%10%。3.3.2計算導(dǎo)線直徑d小型變壓器的線圈多采用漆包圓銅線繞制。為限制銅損耗及發(fā)熱，按各個繞組的負載電流，選擇導(dǎo)線截面，如選的小，則電流密度大，可節(jié)省材料，但銅耗增加，溫升增高。小容量變壓器是自然冷卻的干式變壓器，容許電流密度較低，根據(jù)實踐經(jīng)驗，通過導(dǎo)線的電流密度J不能過大，對于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=23A/mm2。對于連續(xù)工作時可取J=2.5A/mm2導(dǎo)線的截面積： 導(dǎo)線直徑：導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計算，式中： d 原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單位：mm；I 原、副邊各線圈中的工作電流，單位：A；3.3.3繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線

12、的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為 （3-14）式中 d，絕緣導(dǎo)線外徑（mm）；h鐵心窗高（mm）；0.9考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù)；（24）考慮裕度系數(shù)。各繞組所需層數(shù)為 m=N/Nc （3-15）各繞組厚度為ti=mi（di+i）+，（i=1、2 n） （3-16） 式中 i層間絕緣厚度（mm），導(dǎo)線較細（0.2mm以下），用一層厚度為0.020.04mm白玻璃紙，導(dǎo)線較粗（0.2mm以上），用一層厚度為0.050.07mm的電纜紙（或牛皮紙），更粗的導(dǎo)線，可用厚度為0.12mm的青殼紙；繞組間的絕緣厚度（mm），當(dāng)電壓不超過500V時，可用23層電纜紙夾12層黃蠟布等。繞組總厚度

13、為t=（t0+t1+t2+ tn） （3-17）式中 t0繞組框架的厚度（mm）計算所得的繞組總厚度t必須略小于鐵心窗口寬度c，若t>c,可加大鐵心疊裝厚度，減小繞組匝數(shù)或重選硅鋼片的尺寸，按上述步驟重復(fù)計算和核算，至合適時為止。4.實例制作如上圖所示，取U1=220V，U2=270V，U3=60V， I2=0.15A，I3=0.1A。計算變壓器的主要參數(shù)，并選擇可行的材料。1計算變壓器的額定容量SNa) 計算副邊的容量：S2=U2 I2 + U3 I3=270*0.15+60*0.1=46.5 (V·A)b) 計算原邊的容量：S1=S2/小型單相變壓器的效率的估算值可以取=0

14、.8，因此/=46.5/0.8=58.125(V·A)。c) 計算變壓器的額定容量SN=1/2（S1+S2）=0.5×（58.125+46.5）=52.31(V·A)考慮到存在著一定的損耗，故可以定變壓器的額定容量近似取56V·A 2. 鐵心尺寸的選定a）計算鐵心截面積A根據(jù)表2. 截面積計算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.75因此b）鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計算參數(shù)a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110A/a=110×10.48/25=51.4 mm.此時b/a=51.4/28=1.84滿足b=(1.2 - 2)a的通常要求。

15、由a=28mm得c=14mm，h=42mm，A，=84mm，H=70mm3計算繞組線圈匝數(shù)a)求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) 取f=50HZ=3.4（匝/V）式中的Bm=1.1T （鐵心材料國熱軋硅鋼片）b)根據(jù)N0和各線圈額定電壓求出各繞組的匝數(shù)N1=N0U1=3.4×220=748N2=（1.051.10）N0U2=1.10×3.4×270=1010N3=（1.051.10）N0U3=1.10×3.4×60=225c)各繞組每層匝數(shù) NL1 = NL2 = NL3=4各繞組所需層數(shù) m1= m2= m3=5計算導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=I/jI1=（1.1- 1.2）S/U1=1.15×56/220=0.293(A)Ac1=0.293/2.5=0.117 mm同理：Ac2=0.06 mm2 d2=0.277mmAc3=0.04 mm2 d3=0.226 mm5結(jié)論通過這次的設(shè)計我知道了小型變壓器質(zhì)量可以從他的空載損耗和短路損耗判斷出來，越小越好，同時工作溫度也會低，并有很好的負載，通過空載電流的測定，鐵損較大的變壓器，發(fā)熱量大，安培匝數(shù)設(shè)計要是不合理，空載電流會大增，就會造成溫升增大，有損壽命。電壓變化；若以高壓側(cè)繞組為一次側(cè)繞組，低壓側(cè)繞組為二次繞組。則變壓器起降壓作用，反之起升壓作用。電流變換；變壓器在工作