《電機與拖動》課程設(shè)計小型單相變壓器設(shè)計

1、一、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。二、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

2、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）。原繞組各量用下標1表示，副繞組各量用下標2表示。原繞組匝數(shù)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。（1） 電壓變換當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）電流變

3、換變壓器在工作時，二次電流的大小主要取決于負載阻抗模|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。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。三、 變壓器的基本結(jié)構(gòu)1、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。2、繞組：繞組是變壓器的電路部分。一般采用絕緣紙包的鋁線

4、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。圖（2）3、 其它結(jié)構(gòu)部件：儲油柜、氣體繼電器、油箱。圖（3）單相心式變壓器1鐵柱；2鐵軛；3高壓線圈；4低壓線圈四、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。根據(jù)設(shè)計的要求，我選定的為500VA的變壓器。1、額定容量的確定變壓器的容量又稱表現(xiàn)功率和視在功率，是指變壓器二次側(cè)輸出的功率，通常用KVA表示。（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

5、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)各個繞組的負載電流有效值（A）。(2) 一次繞組的容量，對于小容量變壓器來說，我們不能就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 （單位為VA） （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VA磁通密度10T效率（%）電流密度鐵心計算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5

6、501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.1(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=*（S+S）（單位為VA） （3-3）(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)。2、 鐵心尺寸的選定(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

7、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，當采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時可取小些截面積計算系數(shù)表3-2 截面積計算系數(shù)的估算值 /VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.25

8、1.0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）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=(1.22.0)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achH1316192225283238

9、445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401603、繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑(1) 計算每伏電壓應(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) （3-7） 對應(yīng)于每伏電壓的匝數(shù)，單位：匝/VBm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當鐵心材料國熱軋硅鋼片時，取Bm=1.01.2T；采用冷軋硅鋼片時，可取Bm=1.21.5T，然后根據(jù)N和各

10、線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)： （3-8） （3-9） （3-10）式中N1、N2 Nn各線圈的匝數(shù)。為補償負載時漏阻抗壓降，副邊各線圈的匝數(shù)均增加了5%10%。（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，而連續(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： 導(dǎo)線直徑根據(jù)

11、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；根據(jù)表3-4選取相近的標準線徑。當線圈電流大于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0.250.270.270.284、繞組排列及鐵

12、心尺寸的最后確定。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）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 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）繞組框架的厚

13、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tc,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。四、 實例計算如上圖所示，已知： 解：1、計算變壓器的額定容量2、鐵芯截面的計算及鐵芯片的選擇（磁密的選擇）計算鐵心截面積AA0截面積計算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.35因此，A0=1.35=13.5（cm2） 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*13.5/28=53.03 mm此時b/a=53.03/28=1.89滿足b=(1

14、.22)a的通常要求。鐵芯片的選擇由于是小容量變壓器，所以其鐵心形式采用殼式。3、計算繞組線圈匝數(shù)求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) = 3（匝/V）式中的=1.1T (鐵心材料國熱軋硅鋼片)根據(jù)和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù) =U1=3*220=660 =（1.051.10） U2=1.10*3*24=80=（1.051.10） U3=1.10*3*36=119=（1.051.10） U4=1.10*3*110=3634、計算導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j. =1.15*117.65/220=0.615(A) Ac1=0.615/2.5=0.246 mm2 同理可求：Ac2=2.25 mm2 =

15、1.70 mmAc3=1.50 mm2 =1.39 mm Ac4=0.49 mm2 =0.62mm 根據(jù)所求解的數(shù)據(jù)：可取原邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.07副邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.115、核算變壓器繞組所占鐵芯窗口的面積 對一般的小型電源變壓器，其工作環(huán)境、溫升情況無特殊要求，工作電壓為220V，其間絕緣可用牛皮紙，其厚度為0.07mm，線圈間的絕緣 可采用2-3層牛皮紙或0.12mm的青殼紙，采用現(xiàn)成的16x28線圈框架。 根據(jù)選定的鐵心窗高h計算沒層可繞的匝數(shù)ni 每組繞組需繞的層數(shù)mi為： =/=660/52=13(層) =/=80/20=4(層) =/=119/24=5(

16、層)=/=363/48=8(層)每繞組厚度=13x(0.68+0.07)+0.12=9.87(毫米) =4x(1.82+0.07)+0.12=7.68（毫米） =5x(1.51+0.07)+0.12=8.02（毫米）=8x(0.74+0.07)+0.12=6.6(毫米)所有總繞組的t為： =1.2x(1+9.87+7.68+8.02+6.6)=39.8(毫米)變壓器繞組所占鐵芯窗口的面積為： S=h*t=42x39.8=1671.6()6、最后計算鐵芯和繞組的重量由表表3-3可知鐵芯的截面積為：，高為：H=70cm 所以鐵芯的重量為：M=v=H=7.85x84x70=46158克=46.158

17、千克五、 結(jié)論通過上面的設(shè)計可知：有容量的選擇；鐵芯截面的計算及鐵芯片的選擇（磁密的選擇）；計算每個繞組匝數(shù);一、二次電流的繞組導(dǎo)線截面的選擇；根據(jù)已知繞組的匝數(shù)、線徑、絕緣厚度等核算變壓器繞組所占鐵芯窗口的面積；最后計算鐵芯和繞組的重量。一般的小容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，為使在額定負載時二次側(cè)有額定電壓應(yīng)適當?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