電機(jī)與拖動課程設(shè)計---小型變壓器設(shè)計

1、<p>　　電機(jī)與拖動 課程設(shè)計 </p><p>　　設(shè) 計 題 目 小型變壓器設(shè)計 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　院（系、部） 電氣與控制工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 班 級 電氣二

2、學(xué)位12-1 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　日 期 2012.12.7 </p><p><b>　　綜述

3、</b></p><p>　　作為電能傳輸或信號傳輸?shù)难b置，變壓器在電力系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，在國民經(jīng)濟(jì)的其他部門，作為特種電源或滿足特殊的需要，變壓器也發(fā)揮著重要的作用。它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達(dá)到數(shù)十萬千伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達(dá)幾十萬伏。如果按變壓器的用途來分類，幾種應(yīng)用最廣泛的變壓器為：電力變壓器、儀用互感器和其他特殊用途的變壓器；如果按相數(shù)可以分為單相

4、和三相變壓器。不管如何進(jìn)行分類，其工作原理及性能都是一樣的。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(jì)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。</p>&l

5、t;p><b>　　1、變壓器的結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　1.1鐵心</b></p><p>　　為了減少鐵損耗，變壓器的鐵心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或用非晶材料制成。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鄰兩層硅鋼片要相互錯開。鐵心是變壓器磁路部分。為減少鐵

6、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。鐵心結(jié)構(gòu)有兩種基本形式：心式和殼式。</p><p><b>　　1.2繞組</b></p><p>　　變壓器的繞組用絕緣圓導(dǎo)線繞成，是構(gòu)成變壓器電路的主要部分。原、副邊繞組一般用銅或鋁的絕緣導(dǎo)線纏繞在鐵心柱上。高壓繞組電壓高，絕緣要求高，如果高壓繞組在

7、內(nèi)，離變壓器鐵心近，則應(yīng)加強(qiáng)絕緣，提高了變壓器的成本造價。因此，為了絕緣方便，低壓繞組緊靠著鐵心，高壓繞組則套裝在低壓繞組的外面。兩個繞組之間留有油道，既可以起絕緣作用，又可以使油把熱量帶走。在單相變壓器中，高、低壓繞組均分為兩部分，分別纏繞在兩個鐵心柱上，兩部分既可以串聯(lián)又可以并聯(lián)。三相變壓器屬于同一相的高、低壓繞組全部纏繞在同一鐵心柱上，并非如圖1-1所示。只有繞組和鐵心的變壓器稱為干式變壓器。大容量變壓器的器身放在盛有絕緣油的油箱

8、中，這樣的變壓器稱為油浸式變壓器。</p><p><b>　　圖1- 1</b></p><p><b>　　1.3其他</b></p><p>　　除了鐵心和繞組之外，因容量和冷卻方式的不同，還需要增加一些其他部件，例如外殼、油箱、絕緣套管等。</p><p><b>　　變壓器的工作

9、原理</b></p><p><b>　　2.1電壓變換</b></p><p>　　當(dāng)一次繞組加上交流電壓時，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，由于二次繞組交鏈的主磁通，還會產(chǎn)生少量的僅與一次繞組交鏈的主要經(jīng)過空氣等非磁性物質(zhì)閉合的一次繞組漏磁通。</p><p><b>　　(2-1)</b&g

10、t;</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,就能按要求改變電壓。</p><p><b>　　2.2電流變換</b></p><p>　　變壓器

11、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。</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。</p><p>　　小型變壓器的原理：小型單相變壓器一

12、般是指工頻小容量單相變壓器。</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　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。</p><p>　　3.1 額定容量的確定</p><p>　　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

13、側(cè)輸出的功率，通常用KVA表示。</p><p>　　3.1.1 二次側(cè)總?cè)萘?</p><p>　　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</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式

14、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）。</p><p>　　3.1.2一次繞組的容量</p><p>　　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</p><p>　?。▎挝粸閂

15、3;A） (3-2)</p><p>　　式中--變壓器的額定容量；--變壓器的效率，約為0.8～0.9，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。</p><p>　　表3-1 小容量變壓器計算參考數(shù)據(jù)</p><p>　　3.1.3變壓器的額定容量</p><p>　　由于本次設(shè)計為

16、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。</p><p>　　小型單相變壓器的額定容量取一、二繞組容量的平均值， </p><p>　　（單位為V·A） (3-3) </p><p>　　3.1.4一次電流的確定</p>

17、<p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中(1.1～1.2)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)。</p><p>　　3.2鐵心尺寸的選定</p><p>　　3.2.1計算鐵心截面積A</p><p>　　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

18、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。</p><p>　　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3-1所示。</p><p><b>　　圖3- 2</b></p><p>　　小容量心柱截面積A大小與其視在功

19、率有關(guān)，一般用下列經(jīng)驗公式計算（單位為 ）。</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　A——鐵心柱的凈面積，單位為；——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面積計算系數(shù)</p><p>　　表3-2 小容量變壓器計算參考數(shù)據(jù)</p><p>　

20、　計算心柱截面積A后，就可確定心柱的寬度和厚度</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中 a——心柱的寬度（mm）；</p><p>　　b——心柱的凈疊厚（mm）；</p><p>　　——心柱的實際厚度（mm）；</p><p>　　——疊片系數(shù)，是考慮到鐵

21、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。</p><p>　　按A的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取,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。</p><p>　　表3-3小型

22、變壓器通用的硅鋼片尺寸</p><p>　　3.3繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑</p><p>　　3.3.1 計算每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)</p><p>　　從變壓器的電勢公式A,若頻率f=50Hz,可得出每伏所需的匝數(shù)</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中 ——對應(yīng)于每

23、伏電壓的匝數(shù)，單位：匝/V</p><p>　　——鐵心柱內(nèi)工作磁密最大值，單位：T</p><p>　　——鐵心柱截面積，單位：</p><p>　　當(dāng)鐵心材料國熱軋硅鋼片時，取=1.0~1.2T；采用冷軋硅鋼片時，可取=1.2~1.5T </p><p>　　然后根據(jù)N和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)</p><

24、;p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　式中、 ……為各線圈的匝數(shù)。</p><p>　　為補(bǔ)償負(fù)載時漏阻抗壓降，副邊各線圈的匝數(shù)均增加了5%~10%。&l

25、t;/p><p>　　3.3.2計算導(dǎo)線直徑d</p><p>　　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=2—3A/。</p

26、><p>　　對于連續(xù)工作時可取J=2.5/</p><p><b>　　導(dǎo)線的截面積： </b></p><p><b>　　導(dǎo)線的直徑： </b></p><p>　　導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計算式中： </p><p>　　d —原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單位：mm；</

27、p><p>　　I —原、副邊各線圈中的工作電流，單位：A；</p><p>　　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。</p><p>　　表3-4 導(dǎo)線材料的選取</p><p>　　3.4 繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最后確定。</p><p>

28、　　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</p><p><b>　　（3-11）</b></p><p>　　式中 —絕緣導(dǎo)線外徑（mm）；</p><p>　　h——鐵心窗高（mm）；</p><p>　　0.9——考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù)；</p><p>　?。?

29、～4）——考慮裕度系數(shù)。</p><p><b>　　各繞組所需層數(shù)為</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　各繞組厚度為</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p>&l

30、t;p>　　i=1,2,…,n </p><p>　　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0.02～0.04mm白玻璃紙，導(dǎo)線較粗（0.2mm以上），用一層厚度為0.05～0.07mm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2～3層電纜紙夾1～2層黃蠟布等。</p&

31、gt;<p><b>　　繞組總厚度為</b></p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中 ——繞組框架的厚度（mm）；</p><p>　　1.1～1.2——考慮裕度的系數(shù)。</p><p>　　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&

32、gt;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。</p><p><b>　　4.實例制作</b></p><p>　　取U1=220V，U2=44V，η=86.3%， S2=141V·A，fn=50Hz：</p><p>　　計算變壓器的主要參數(shù)，并選擇可行的材料。</p&

33、gt;<p>　　1．計算變壓器的額定容量SN</p><p><b>　　計算副邊的容量：</b></p><p>　　S2=U2 I2 =141 (V·A)</p><p><b>　　計算原邊的容量：</b></p><p>　　小型單相變壓器的效率η的估算值可以取η=

34、0.863，因此 /η=141/0.863=163.4(V·A)。</p><p>　　計算變壓器的額定容量</p><p>　　SN=1/2（S1+S2）=0.5×（163.4+141）=152.2(V·A)</p><p>　　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156V·A </p>

35、<p>　　2. 鐵心尺寸的選定</p><p>　　a）計算鐵心截面積A</p><p>　　根據(jù)表2. 截面積計算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.25</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　cm2</b></p><p>　　

36、b）鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計算</p><p>　　參數(shù)a、b'的選取可以近似取a=38mm ,kc=0.91</p><p><b>　　因此，</b></p><p>　　b'=110A/a=110×15.61/38=45.2mm.</p><p>　　取b'=44mm,硅鋼片

37、尺寸b/a=1.2，由上表3-3可查：</p><p>　　由a=38mm得c=19mm，h=57mm，A，=114mm，H=95mm</p><p><b>　　3．計算導(dǎo)線直徑d</b></p><p><b>　　導(dǎo)線的截面積：</b></p><p><b>　　A0=I/j<

38、;/b></p><p>　　I1=（1.1- 1.2）S/U1==1.1×156/220=0.801(A)</p><p>　　A0=0.801/2.5=0.321mm2 </p><p>　　同理： A02=1. 56mm2 I2=1.56 (A) d2=1.41mm</p><p>　　由表3-4可知導(dǎo)

39、線材料選用為硅有機(jī)單玻璃絲包線</p><p>　　所以可知：d'=0.82mm d2'=1.63mm</p><p>　　4．計算繞組線圈匝數(shù)</p><p>　　a)求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) 取f=50HZ</p><p><b>　　=2.8（匝/V）</b></p><p

40、>　　式中的Bm=1.0T </p><p>　　b)根據(jù)N0和各線圈額定電壓求出各繞組的匝數(shù)</p><p>　　N1=N0U1=2.8×220=634</p><p>　　N2=（1.05~1.10）N0U2=1.05×2.8×44=124</p><p><b>　　c)各繞組每層匝數(shù)<

41、;/b></p><p><b>　　NL1 = 61</b></p><p><b>　　NL2 = </b></p><p><b>　　5．各繞組所需層數(shù)</b></p><p><b>　　m1=</b></p><p&g

42、t;<b>　　m2=</b></p><p><b>　　6．各繞組厚度</b></p><p>　　層間絕緣：兩層電纜紙，每層厚度0.05mm，即</p><p>　　繞組間絕緣：兩層電纜紙，一層黃蠟布0.14mm，即</p><p>　　由上退出t1=9.34mm t2=5.33mm<

43、;/p><p>　　7．繞組框架選用0.5mm彈性紙絕緣，外包對地絕緣厚度0.2mm，所以t0=0.7mm</p><p>　　8. 由上推出t=（t1+t2+t0）×1.2=18.444mm略小于鐵心窗口寬度c=19mm，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　通過上面的設(shè)計

44、可知：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(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

45、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。</p><p><b>　　課程設(shè)計體會</b></p><p>　　我們通過學(xué)習(xí)電機(jī)與拖動，對變壓器有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。通過這次小型單相變壓器的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的知識與實踐相結(jié)合。從而對我們學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的理解，使我們進(jìn)一步加深了對所學(xué)知識的記憶。</p>

46、;<p>　　在此次的小型單相變壓器的設(shè)計過程中，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題，同時我們也掌握了做設(shè)計的基本流程，為我們以后進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處