平特性變壓器的設(shè)計

1、第一節(jié)平特性變壓器的設(shè)計二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)主變壓器、晶閘管弧焊整流器主變壓器等都是平特性變壓器。設(shè)計內(nèi)容是根據(jù)輸出電流、電壓的額定值，按照電磁感應(yīng)的基本定律，計算出鐵心、繞組的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及運行的性能指標(biāo)等。一、交流變壓器運行的基本規(guī)律作用在變壓器上的電壓常見的是正弦交流電壓，現(xiàn)代焊接電源中還有矩形波、三角波等交流電壓，如圖1所示。在上述電壓作用下繞組磁通量在之間變化。設(shè)一次繞組在正半波電壓平均值為,，則有 式中交流電壓頻率； 一次繞組匝數(shù)； 磁通量幅值。圖1 交流變壓器波形示例a) 正弦電壓 b)矩形電壓 c)近似三角電壓現(xiàn)在定義電壓有效值與半波平均值之比為波形系數(shù)，則變壓器一次

2、側(cè)電壓有效值可以表示為正弦交流電壓的波形系數(shù)，所以對于正弦交流電壓的有效值有式中 鐵心磁通密度；鐵心凈截面積；二、變壓器容量與基本尺寸間的關(guān)系變壓器容量越大，它的尺寸越大。基本尺寸有兩個，即鐵心柱截面積和窗口面積，二者大體有一定的比例，這一比例因變壓器的種類不同而異，常常從變壓器容量與鐵心柱截面積的關(guān)系開始分析。1. 單相變壓器的容量與尺寸關(guān)系設(shè)變壓器一次側(cè)容量，二次側(cè)容量，并設(shè)二次側(cè)有個獨立繞組，總?cè)萘?，則有設(shè)為繞組每匝感應(yīng)電動勢，而且有，代入上式，則 設(shè)是變壓器的效率，所以對于變壓器二次輸出容量有式中 磁通密度； 鐵心柱截面積； 窗口面積；繞組電流密度；鐵心疊片系數(shù)，即鐵心凈截面積與鐵心截

3、面積之比；窗口填充系數(shù)，即窗口內(nèi)繞組凈截面積與窗口面積之比。在單相變壓器中，近似取，則上式又變?yōu)楝F(xiàn)在給出、兩組典型數(shù)據(jù)，計算與之間的關(guān)系 1.0 1.4 2.5 5 0.9 0.93 0.3 0.2 0.85 0.85 由最后一行看出，鐵心柱截面積與變壓器輸出容量之間的一般關(guān)系，即 （1）一般，系數(shù)，或者在更寬的范圍內(nèi)選取。同樣的輸出容量，不同的k值，得到不同的，這就是變壓器設(shè)計的靈活性。由于，所以也可以根據(jù)輸入容量計算出。同樣利用上式，但值不同。如果或的單位用，式中的值又不同，這是圖2 三相變壓器簡圖在不同文獻(xiàn)中表達(dá)上的差別，實質(zhì)是一樣的。2. 三相變壓器容量與尺寸關(guān)系三相變壓器有三個鐵心柱

4、，兩個窗口，如圖2所示。設(shè)一個鐵心柱(即一相)上的一、二次繞組總?cè)萘繛?，則有 （2）由于一個窗口內(nèi)有兩個鐵心柱(即二相)上的繞組穿過，所以每柱繞組占據(jù)窗口面積的一半，即 （3）將式(3)代入式(2)中，并將展開由于窗口面積較大，容納三相繞組，所以取，代入上式有如果三相變壓器的每柱輸出容量仍用表示，有，因而該式與單相變壓器中的容量、鐵心截面積關(guān)系相同。利用前面的、兩組數(shù)據(jù)，也有同樣的結(jié)果。鐵心柱截面積的表達(dá)式與單相變壓器具有相同的形式或者，系數(shù)的選取也基本相同。實際上，三相變壓器中三個鐵心柱共用上、下鐵軛，節(jié)省了鐵心材料，為保持合理的銅鐵比，降低質(zhì)量及成本，鐵心截面積往往取得大一些，即在使用公式

5、時，系數(shù)值比單相變壓器計算中的取值大一些，改變了預(yù)設(shè)的的關(guān)系，例如，在后面ZX5-400晶閘管整流焊機(jī)主變壓器設(shè)計實例中，實際是。三、繞組的計算求出鐵心柱截面積后，計算每匝繞組的感應(yīng)電動勢，則 （4）若，則有若，稱每伏匝數(shù)，則有 （5）式中 磁通密度； 鐵心柱截面積；鐵心柱凈截面積。如果變壓器設(shè)計先從計算每匝感應(yīng)電動勢開始，則對單相變壓器在的條件下，有式中 磁通密度；單項變壓器輸出容量。如果改用為單位，則有這時取，則有 （6）式中 單項變壓器輸出容量。對于三相變壓器，用表示三項輸出總?cè)萘?，而且以作單位，則有這時取，則有如果三相變壓器單柱輸出容量，則的計算公式與單相中的公式相同，。的選取可參照表

6、1。表1 磁通密度的選擇變壓器容量51015100>135熱軋片；0.711.21.41.41.5熱軋片；1.41.71.51.751.61.8取的過高，空載電流增大，但應(yīng)滿足，是一次額定輸入電流。繞組匝數(shù)的計算；。式中 是指多個二次繞組中的第個繞組的序號。繞組截面積計算，式中 電流密度，可參考表10進(jìn)行選取。四、結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3是一個三相平特性變壓器結(jié)構(gòu)簡圖。鐵心柱截面積確定之后，則有圖3 三相變壓器結(jié)構(gòu)簡圖一般有 式中 鐵心柱截面積； 鐵心片寬； 鐵心疊厚。窗口尺寸有 窗口高 。繞組高 。一次繞組每層匝數(shù)，圓整化為。是包括絕緣在內(nèi)的導(dǎo)線直徑，如果是扁導(dǎo)線，是沿繞組高度排列的線寬。一次繞組

7、層數(shù)，圓整化為；一次繞組所占的窗寬，；二次繞組每層匝數(shù)，圓整化為；二次繞組層數(shù)，圓整化為；二次繞組所占的窗寬，。兩繞組間可以局部用剛性絕緣材料填充、塞緊，這樣還隔出了一定的通風(fēng)道，有利散熱。繞組內(nèi)側(cè)到鐵心應(yīng)留有的框架厚度或絕緣墊層厚，所以每相一、二次繞組所占的窗寬為為圖4 三相變壓器鐵芯片布置圖窗口總寬（見圖4）為圖4是鐵心片布置圖，剪片規(guī)格共有三種1）2）3）疊片時，分組交錯對插，每組一般兩層，也有單層、4層、8層一組的情況。第一組長軛在上，第二組長軛在下，依次交錯，最后上下鐵軛用角鐵夾緊，或者在片上沖孔，用空心鐵筒鉚緊，或者用螺栓夾緊。鐵心每層面積鐵心疊厚鐵心體積變壓器鐵心質(zhì)量一、二次繞組

8、導(dǎo)線總長或式中 、 是一、二次繞組導(dǎo)線的平均匝長。一、 二次繞組導(dǎo)線的截面積為、，則體積為或者導(dǎo)線總體積 一、 二次繞組總質(zhì)量一般鐵銅比為五、空載電流的計算空載電流，一般要求，是一次側(cè)額定電流。是空載電流的有功分量，它是由鐵心的磁滯、渦流損耗 引起的。是單位鐵心質(zhì)量的鐵損，可以查表4及表5得到。是空載電流的無功分量，是由鐵心的磁化容量及氣隙的磁化容量引起的。是單位質(zhì)量鐵心的磁化容量，它是硅鋼片的磁密或磁場強(qiáng)度的函數(shù)，可以查表4及表5得到。如果鐵心中各段的不同，則也不同，可以分段計算求和。式中 氣隙截面積，一般等于鐵心柱截面積； 氣隙數(shù)； 單位氣隙的磁化容量，可以查表6。除查表法外，單位磁化容量

9、及。也可以由分析法計算式中 磁通密度； 磁場強(qiáng)度。式中 磁通密度； 氣隙長度。六、ZX5-400晶閘管弧焊整流器主變壓器設(shè)計1. 已知條件ZX5-400晶閘管弧焊整流器主電路及變壓器一、二次側(cè)電流有效值如圖5所示。輸 入 電 壓 380相 數(shù) 3相圖5 ZX5-400弧焊整流器主電路及電流有數(shù)值額定輸出 電 流 400空 載 電 壓 63額定負(fù)載持續(xù)率 60%額定工作 電 壓 36效 率 74%功 率 因 數(shù) 0.74輸 入 容 量 242. 參數(shù)計算按圖5每柱(相)輸出相位相反的兩個二次繞組的長時容量為依照每柱容量計算的每匝繞組感應(yīng)電動勢;由前述繞組計算部分式（6），則鐵心柱截面積 取92一

10、次繞組匝數(shù) 取90匝實際。由空載電壓，求二次繞組相電壓每個二次繞組的匝數(shù)窗口面積3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計（1）鐵心尺寸取片寬 疊 厚 窗 高 取16窗 寬 剪片尺寸，參照圖6，有1）2）3）圖6 ZX5-400主變壓器剪片尺寸剪片數(shù)量，取，硅鋼片厚度1）2）3）（2）繞組尺寸 二次繞組長時電流二次繞組導(dǎo)線截面積，設(shè)有內(nèi)部風(fēng)冷，電流密度，則有選用規(guī)格雙玻璃絲包扁線，外廓，截面積一次繞組長時電流一次繞組導(dǎo)線截面積,仍取選用規(guī)格雙玻璃絲包扁線，外廓，截面積（3）繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計一、二次繞組都用盤形結(jié)構(gòu)，每鐵心柱上的一次繞組分成6盤， 每盤15匝，每個柱上的二次繞組分成4盤，每盤10匝。每柱繞組的原理、接線、結(jié)構(gòu)

11、如圖7所示。由c圖可以看出，各盤間加了8mm厚的墊塊，隔離出了風(fēng)道，上下各由一根長螺栓緊固。這時最外兩盤繞組的外緣尺寸為6個一次繞組寬度、4個二次繞組寬度、9個墊塊厚度之和圖7 ZX5-400晶閘管弧焊整流器每柱繞組原理及結(jié)構(gòu) a) 原理圖 b) 接線圖 c) 柱繞組的連接及裝配繞組外緣至鐵軛的距離為盤形繞組的端面形狀如圖8所示。一次盤及二次盤的寬度都約為27mm，圖8 盤形繞組端面形狀及裝配位置30mm設(shè)計安排。（1）窗口填充系數(shù)計算每柱繞組凈截面積，則每窗口繞組凈截面積填充系數(shù)（5）銅鐵比計算一次繞組平均匝長二次繞組平均匝長 三柱一次繞組總長 一次繞組總體積 一次繞組銅重 三柱二次繞組總長二次繞組總體積二次繞組銅重 總銅重 鐵心每層面積 鐵心體積 鐵重 銅鐵比 （6