小型單相變壓器設(shè)計與相關(guān)計算

1、小型單相變壓器設(shè)計小型單相變壓器設(shè)計1、小型單相變壓器簡介變壓器是通過電磁耦合關(guān)系傳遞電能的設(shè)備，用途可綜述為：經(jīng)濟的輸送電能、合理的分配電能、安全的使用電能。實際上，它在變壓的同時還能改變電流，還可改變阻抗和相數(shù)。小型變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡單的小型單相變壓器由一個閉合的鐵心(構(gòu)成磁路)和繞在鐵心上的兩個匝數(shù)不同、 彼此絕緣的繞組(構(gòu)成電路)構(gòu)成。這類變壓器在生活中的應(yīng)用非常廣泛。1.1變壓器的基本結(jié)構(gòu)1、1、1主要組成(1) 鐵心為了減少鐵損耗，變壓器的貼心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶體片制成。其中套有繞組的部分稱為鐵心柱，連接鐵心柱的部分稱為鐵軛，為了減少磁路中

2、不必要的氣隙，鄉(xiāng)鄰兩層硅鋼片的接縫要相互錯開。（2）繞組變壓器的繞組用絕緣導(dǎo)線或扁導(dǎo)線繞成，實際變壓器的高，低壓繞組并不是分裝在兩個鐵心柱上，而是同心地套在同一個鐵心柱上的。為了絕緣的方便，通常低壓繞組在里面，靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。（3）其他除鐵心和繞組外，因容量和冷卻方式的不同，還需要增加一些其他部件，例如外油絕緣套等等。1、1、2主要類型按相數(shù)的不同，變壓器可分為單向相變壓器和三相變壓器等。按每相繞組數(shù)量的不同，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。脆變壓器用鐵量較

3、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。脆變壓器用銅量少，多用于小容量變壓器中。2、 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；隔離；穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等，變壓器常用的鐵心形狀一般有E型和C型鐵心。變壓器（transformer）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(fù)載，稱為副繞組（二次繞組、次級）。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)

4、為，副繞組匝數(shù)為。圖（1）變壓器結(jié)構(gòu)示意圖理想狀況如下（不計電阻、鐵耗和漏磁），原繞組加電壓，產(chǎn)生電流，建立磁通，沿鐵心閉合，分別在原副繞組中感應(yīng)電動勢。當(dāng)變壓器二次側(cè)空載時，一次側(cè)僅流過主磁通的電流（Í0），這個電流稱為激磁電流。當(dāng)二次側(cè)加負(fù)載流過負(fù)載電流Í2時，也在鐵芯中產(chǎn)生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時，主磁通是不變的，一次側(cè)就要流過兩部分電流，一部分為激磁電流Í0，一部分為用來平衡Í2，所以這部分電流隨著Í2變化而變化。當(dāng)電流乘以匝數(shù)時，就是磁勢。    上述的平衡作用實質(zhì)上是磁勢平衡作用

5、，變壓器就是通過磁勢平衡作用實現(xiàn)了一、二次側(cè)的能量傳遞。2、1 電壓變換當(dāng)一次繞組兩端加上交流電壓時，繞組中通過交流電流，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。 （1-1） （1-2）（） （1-3） （1-4）說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,就能按要求改變電壓。2、2 電流變換變壓器在工作時，二次電流的大小主要取決于負(fù)載阻抗模|的大小，而一次電流的大小則取決于的大小。 （1-5） （1-6）說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。2.3 阻抗變換變壓器的二次繞組接有阻抗模|ZL|的負(fù)載時，若忽略Z1，Z2和I0，則 |ZL|=U2/I2=U1/ (K2*I1)U1與I1

6、之比相當(dāng)于從變壓器一次繞組看進去的等效電阻模|Ze|=k2|Zl|可見，當(dāng)負(fù)載直接接電源時，電源的負(fù)載阻抗模為|ZL|，通過變壓器接電源時，相當(dāng)于將組抗模增加到|ZL|的k2倍，在電子技術(shù)中經(jīng)常利用變壓器的這一阻抗變換作用來實現(xiàn)“組抗匹配”2、4電壓比N1一次側(cè)繞組的匝數(shù)；N2二次側(cè)繞組的匝數(shù)。當(dāng)N1N2時，Kul，此時U1U2這時的變壓器稱為降壓變壓器。當(dāng)N1N2時, Ku1，此時U1U2，這時的變壓器稱為升壓變壓器。3、 設(shè)計內(nèi)容計算內(nèi)容有四部分：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 變壓器的容量又稱表現(xiàn)功率和視

7、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 一次繞組的容量對于小容量變壓器來說，我們不能就認(rèn)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 S=（單位為V·A） （3-2）式中 變壓器的額定容量；變壓器的效率，約為0.80.9，表3-1 所給的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可供計算時初步選用。表3-1 小容量變壓器計算參考數(shù)據(jù)變壓器容量V·A磁通密度×10T效率（%）電流密度鐵心計算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.550100800090008

8、0852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.13、1、2 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(fù)載阻抗的幅角的差別，可認(rèn)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 二次側(cè)總?cè)萘浚╒·A）,二次側(cè)各個繞組電壓的有效值（V）；, 二次側(cè)各個繞組的負(fù)載電流有效值（A）。3、1、3確定變壓器的額定容量    變壓器的二次容量為    式中 S2變壓器二

9、次容量，VA：         U2、U3、Un二次各繞組電壓有效值，v；         I2、I3、In二次仍各繞組電流有效值A(chǔ)。    變壓器在傳遞功率過程中，本身存在著鐵損和銅損，故一次容量比二次容量大。    式中 變壓器的效率?？偸切∮?，變壓器的容量越小，也越小，v的數(shù)值見表1:表1：小容量變壓器效率值    變壓器的額定容量：

10、60;     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。小容量變壓器鐵心形式多采用殼式，中間心柱上套放繞組，鐵心的幾何尺寸如圖（4）所示。圖（4）小容量心柱截面積A大小與其視在功率有關(guān)，一般用下列經(jīng)驗公式計算（單位為 ）。 （3-5）A鐵心柱的凈面積，單位為cm2截面計算系數(shù)，與變壓器額定容量有關(guān)，按表3-2選取，當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時可取小些截

11、面積計算系數(shù)表3-2 截面積計算系數(shù)的估算值 /VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0計算心柱截面積A后，就可確定心柱的寬度和厚度，根據(jù)圖3可知 （3-6）式中 a心柱的寬度（mm）；b心柱的凈疊厚（mm）；心柱的實際厚度（mm）；疊片系數(shù)，是考慮到鐵心疊片間的絕緣所占空間引起鐵心面積的減小所引入的。對于0.5mm厚，兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，=0.93；對于0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片， =0.91；對于0.35mm厚，不涂漆的冷軋鋼片，=0.95。按A的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.2

12、2.0)a，,并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-3列出了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表3-3小型變壓器通用的硅鋼片尺寸achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401603、3 繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑3、3、1計算每個繞組的匝數(shù)    設(shè)Ni表示變壓器每感應(yīng)1V電動勢所需繞的匝數(shù)，即    關(guān)于Bm值，不同的

13、硅鋼片是不一樣的，當(dāng)變壓器容量在100vA以下，通常冷軋硅鋼片DW24035、DW26535的Bm取1.01.2T；當(dāng)變壓器容量為100一1000VA時，Bm可取1.21.5T。當(dāng)變壓器容量在100vA以下，熱軋硅鋼片DR320-35、DR280-35、DR360-50、DR315-50的Bm取0.81.0T；當(dāng)變壓器容量為1001000VA時，Bm取1.0一1.2T。     如果不知道硅鋼片的牌號，按經(jīng)驗可以將硅鋼片扭一扭，如硅鋼片薄而脆，則磁性能較好(俗稱高硅)，Bm可取得大些；若硅鋼片厚而軟，則磁性能較差(俗稱低硅)，Bm值可取得小些。一般Bm可

14、取在0.71.0T之間。    設(shè)計時二次側(cè)的繞組應(yīng)增加5的匝數(shù)，以便補償負(fù)載時的電壓降。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(QZ型或QQ型)繞制。為限制銅損耗及發(fā)熱，按各個繞組的負(fù)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：Ac=I/j. 導(dǎo)線的直徑： =0.715導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計算 ，式中： d

15、 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；根據(jù)算出的直徑查電工手冊或表3-4選取相近的標(biāo)準(zhǔn)線徑。當(dāng)線圈電流大于10A時，可采用多根導(dǎo)線并聯(lián)或選用扁銅線。表3-4 導(dǎo)線材料的選取螺線直徑導(dǎo)線品種0.060.140.150.210.230.330.350.490.510.620.640.720.740.961.01.741.812.022.12.44高強度聚酯漆包線0.030.040.050.060.070.080.090.110.120.13硅有機單玻璃絲包線0.200.220.220.24硅有機雙玻璃絲包線0.250.270.270.283、4 繞組及鐵心

16、尺寸的最后確定。繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為 （3-11）式中 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 （3-12）各繞組厚度為 （3-13）i=1,2,n 式中 層間絕緣厚度（mm），導(dǎo)線較細(xì)（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。繞組總厚度為 （3-14）式

17、中 繞組框架的厚度（mm）；1.11.2考慮裕度的系數(shù)。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、 實例計算如上圖所示，取 計算變壓器的主要參數(shù)，并選擇可行的材料。解：1、計算變壓器的額定容量SN1）計算副邊的容量：S2=U2 I2 + U3 I3=300*0.2+50*0.1=65(V·A) 2)計算原邊的容量：/根據(jù)表1：小型單相變壓器的效率的估算值可以取=0.82 因此，/=65/0.82=79.3(V·A) 3）計算變壓器的額定容量=1/2（）=0.

18、5*（65+79.3）=72.2(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75V·A 2、 鐵心尺寸的選定1）計算鐵心截面積AA0根據(jù)表2. 截面積計算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.40因此，A0=1.40=12.1（cm2）2）鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計算根據(jù)表3.參數(shù)a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.此時b/a=47.5/28=1.7滿足b=(1.22)a的通常要求。3、計算繞組線圈匝數(shù) 1）求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) =3.4（匝/V）式中的=1.1T (鐵心材料國熱軋硅鋼片)2)

19、 根據(jù)和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù) =U1=3.4*220=748 =（1.051.10） U2=1.10*3.4*300=1122 =（1.051.10） U3=1.10*3.4*50=1874、計算導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j. =1.15*79.3/220=0.415(A) Ac1=0.415/2.5=0.17 mm2 =0.715=0.46 mm同理：Ac2=0.08 mm2 =0.32 mmAc3=0.04 mm2 =0.23 mm 根據(jù)所求解的數(shù)據(jù)：可以取原邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.06副邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.05五、 結(jié)論通過上面的設(shè)計可知：一般的小容

20、量單相變壓器的計算內(nèi)容有四種部分：容量的確定；鐵心尺寸的確定；繞組的計算；繞組排列及鐵心尺寸的最后確定。變壓器的效率80%90% 。對小容量變壓器應(yīng)考慮內(nèi)部壓降，為使在額定負(fù)載時二次側(cè)有額定電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾佣蝹?cè)繞組匝數(shù)，約增加5%10%的匝數(shù)。通過銅損的測定可知，小型變壓器的的質(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(fù)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。單相變壓器是具有兩個線圈的變壓結(jié)構(gòu)：變壓器主要是由鐵心和繞組組成：1鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵

21、心分鐵心柱和鐵軌兩不分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是聯(lián)系兩個貼心柱的部分。2變壓器繞組構(gòu)成設(shè)備的內(nèi)部電路，它與外界的電網(wǎng)直接相接，是變壓器中最重要的部件，常把繞組比做變壓器的核心。六、 心得體會這次課程設(shè)計是我第一次做課程設(shè)計，通過這次設(shè)計，我感覺到這不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，更是對自己實踐動手能力的一種提高。通過課程設(shè)計我有了一些自己的理解，在這里我要對整個課程設(shè)計的過程做一下簡單的總結(jié)。選題是畢業(yè)設(shè)計的開端，更是對自己學(xué)習(xí)東西檢驗的一個見證，同學(xué)們都會根據(jù)自己掌握的比較好的知識段去選擇恰當(dāng)?shù)摹⒏信d趣的題目，這對于整個課程設(shè)計是否能夠順利進行并且獲得好成績關(guān)系極大。這開始的第一步是具有決定意義的，第一步邁向何方，需要慎重考慮。否則，就可能走許多彎路、費許多周折，甚至