小型单相变压器的设计

小型变压器的设计电 机 学 课 程 设 计总 结 报 告课 题 名 称 ： 小 型 变 压 器 的 设 计 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 班 级 ： 指 导 老 师 ： 小型变压器的设计0目录目录 _1摘 要 _2一、变压器的基本结构 _3二、 变压器的工作原理 _41.电压变换 _42.电流变换 _5三、 设计内容 _51、额定容量的确定 _52、 铁心尺寸的选定 _63、计算绕组线圈匝数 _84、计算各绕组导线的直径并选择导线 _95、计算绕组的总尺寸，核算铁芯窗口的面积 _10四 设计实例 _114.1 设计要求 _114.2 计算变压器参数 _12五 总结 _15参考文献 _15附录小型变压器的设计1摘 要随着我国经济建设的发展，电力工业规模迅速的壮大起来，变压器的单台容量和安装容量快速增长。国际巨头强势参加海内市场竞争的面前，一方面看中的是我国电力设备市场的伟大后劲；另一方面，也表现了中国企业长足的进步，尤其在质量方面，国产电力变压器已经越来越靠近海内程度，使得海内巨头们不得不拿出“看家身手”逐鹿中国市场。变压器是一种用于交流电能转换的电气设备。它可以把一种交流电压、交流电流的电能转换成相同频率的另一种交流电压、交流电流的电能。变压器在电力系统中的主要作用是变换电压,以利于电能的传输。电压经升压变压器升压后,可以减少线路损耗,提高送电经济性,达到远距离送电的目的。电压经降压变压器降压后,获得各级用电设备的所需电压,以满足用户使用的需要。 此次设计的变压器为小型变压器，小型变压器指的是容量 1000V.A 以下的变压器。最简单的小型单相变压器由一个闭合的铁心(构成磁路)和绕在铁心上的两个匝数不同、 彼此绝缘的绕组(构成电路)构成。这类变压器在生活中的应用非常广泛。小型变压器的设计2一、变压器的基本结构 1、铁心：铁心是变压器磁路部分。为减少铁心内磁滞损耗涡流损耗，通常铁心用含硅量较高的、厚度为 0.35 或 0.5mm、表面 涂有绝漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。 铁心分为铁柱和铁轭两部分，铁柱上套装有绕组线圈，铁轭则是作为闭合磁路之用，铁柱和铁轭同时作为变压器的机械构件。 铁心结构有两种基本形式：心式和壳式。 2、 绕组：绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。为了节省铜材，我国变压器线圈大部分是采用铝线。3.其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。 图为单相心式变压器；1铁柱；2铁轭；3高压线圈；4低压线圈 小型变压器的设计3二、 变压器的工作原理 变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，常用的铁心形状一般有 E 型和 C 型铁心。 变压器（transformer）是利用电磁感应原理将某一电压的交流换成频率相同的另一电压的交流电的能量的变换装备。 变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图（1）所示。一个绕组接电源，称为原绕组（一次绕组、初级） ，另一个接负载，称为副绕组（二次绕组、次级） 。原绕组各量用下标 1 表示，副绕组各量用下标 2 表示。原绕组匝数为 1N，副绕组匝数为 2N。理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁） ，原绕组加电压 u1，产生电流 i1，建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势 e1和 e2。 1.电压变换 当一次绕组两端加上交流电压 u1时，绕组中通过交流电流 i1， 在铁心中将产生既与一次绕组交链，又与二次绕组交链的主磁通。说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。 小型变压器的设计42.电流变换 变压器在工作时，二次电流 I2的大小主要取决于负载阻抗模|Z 1|的大小，而一次电流 I1的大小则取决于 I2的大小。 说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。 三、 设计内容 设计内容有四部分：额定容量的确定；铁心尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。1、额定容量的确定 变压器的容量又称表现功率和视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用 KVA 表示。 （1） 二次侧总容量 小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差别，可认为输出总视在功率为二次侧各绕组输出视在功率之代数和，即 S 2=U2I2+U3I3+UnIn ；式中 S 2为二次侧容量（V.A)，U2，U 3Un为二次侧各个绕组电压的有效值；I 2I3.In为二次侧各个绕组的小型变压器的设计5负载电流有效值。(2) 一次绕组的容量 对于小容量变压器来说，我们不能就认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为 式中 S1变压器的额定容量;变压器的效率，约为 0.80.9，表 3-1 所给的数据是生产时间的统计数据，可供计算时初步选用。(3)一次电流的确定I1=(1.11.2)S1/U 1 式中(1.11.2)考虑励磁电流的经验系数，对容量很小的变压器应取大的系数。2、 铁心尺寸的选定 (1) 计算铁心截面积 A 为了减小铁损耗，变压器的铁心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。其中套有绕组的部分称为铁心柱，连接铁心柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁心在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。小容量心柱截面积 A 大小与其视在功率有关，一般用下列经验公式计算（单位2） 。表 3-2S/（ VA） 0-10 10-50 50-500 500-1000 1000 以上K0 2 2-1.75 1.5-1.4 1.4-1.2 1小型变压器的设计6A铁心柱的净面积，单位为 cm2，K 0截面计算系数，与变压器额定容量S 有关，按表 3-2 选取，当采用优质冷轧硅钢片时 K0可取小些截面积计算系数K0。（2）确定铁心规格小容量变压器铁心形式多采用壳式，中间心柱上套放绕组，铁心的几何尺寸如图：。式中 a心柱的宽度（mm） ； b心柱的净叠（mm)b心柱的实际厚度（mm）, Kc叠片系数，是考虑到铁心叠片间的绝缘所占空间引起铁心面积的减小所引入的。对于 0.5mm 厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.93；对于 0.35mm 厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc =0.91；对于 0.35mm 厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc=0.95。 按 A 的值，确定 a 和 b 的大小，答案是很多的，一般取 b=(1.22.0)a，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。表3-3 列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。国产小功率变压器常用的标准铁芯片规格（部分） （表 3）尺寸（ mm） 参考数据铁芯片型号铁芯规格（mm）c H h L l d h1中间舌片净截面积（cm2）小型变压器的设计7铁芯片厚度（mm）冷轧 热轧ab0.350.5 0.350.53038 10.710.810.410.53045 12.712.812.312.43052 14.714.814.214.4GEIB30306019 91 53 106 87 69.516.917.116.416.63544 14.514.614.014.23552 17.117.316.616.73560 19.720.019.119.3GEIB35357022105.561.5123 101 6 1123.023.322.322.54050 18.819.018.218.44060 22.622.821.822.1GEIB40407026 124 72 144 118 6 1326.326.625.525.83、计算每个绕组的匝数 N由变压器感应电势 E 的计算式小型变压器的设计8可以导出每伏所需要的匝数关于 值，不同的硅钢片是不一样的。当变压器容量在 100VA 以下，通常冷轧硅钢片 DW240-35、DW260-35 型的 取 0.81.2T；当变压器容量为1001000VA 时， 可取 1.21.5T。当变压器容量在 100VA 以下，热轧硅钢片 DR320-35、DR280-35、DR360-50、DR315-50 型的 取 0.81.0T；当变压器容量为 1001000VA 时， 取 0.91.2T。一般 可取在 0.71.0T 之间。然后确定铁芯柱截面积 （=ab）及 ，最后根据下式求取各个绕组的匝数。一次侧绕组的匝数为二次侧绕组的匝数为注意：二次侧绕组中有 5%的匝数是为补偿变压器的漏感和导线铜损所增加的裕量。4、计算各绕组导线的直径并选择导线导线直径计算式为式中：I 为绕组电流，A； 为导线截面积，cm 2；d 为导线直径，mm； 为电流密度，A/ 。小型变压器的设计9所以有电流密度 一般可按下述方法选取：100VA 以下连续使用的变压器取 =2.5A/；100VA 以上连续使用的变压器取 =2A/ ；变压器短时工作时，电流密度可以取大一些，即 =45A/ 。以计算的直径 d 为依据，查圆铜漆包线规格（见下表） ，选出标称直径接近而稍大的标准漆包线。5、计算绕组的总尺寸，核算铁芯窗口的面积变压器绕组需绕在框架上，根据已知的绕组匝数、线径、绝缘厚度等计算出的绕组总厚度应小于铁芯窗口宽度 c，否则，应重新计算或选铁芯（1） 根据铁芯窗高 h（mm） ，求取每层匝数 为式中：0.9 为考虑绕组框架两端各空出 5%的地方不绕导线而留的裕度；24 为考虑绕组框架厚度留出的空间；d为包括绝缘厚度在内的导线直径。（2） 每个绕组需绕制的层数 为小型变压器的设计10(3)计算层间绝缘及每个绕组的厚度 ， ， ，。通常使用的绝缘厚度尺寸主要如下：1）一、二次绕组间绝缘的厚度 为绕组框架厚度 1mm，外包对地绝缘为二层电缆纸（20.07mm）夹一层黄蜡布（0.14mm） ，合计厚度 =1.28mm。2）绕组间绝缘及对地绝缘的厚度 r=0.28mm。3）层间绝缘的厚度 。导线 d 为 0.2mm 以下的用一层 0.020.04mm 后的透明纸（白玻璃纸） ；导线 d 为 0.2mm 以上的用一层 0.050.07mm 后的电缆纸（或牛皮纸） ，更粗的导线用一层 0.12mm 的青壳纸。最后可求出一次侧绕组的总厚度 为同理可求出二次侧每个绕组的总厚度 。 （4）全部绕组的总厚度为式中：1.11.2 为考虑绕制工艺因素而留的裕量。（5）若求得绕组的总厚度 小于窗口宽度 c，则说明设计方案可以实施；若 大于 c，则方案不可行，应调整设计四 设计实例4.1 设计要求（1）原理图小型变压器的设计11（2）.给定参数：次级绕组容量分配（VA）型号 额定输出容量（VA）初级电压（V）次级电压（V）控制绕组照明绕组指示灯绕组重量（KG）BK-200 200 220V 110V36V6.3V130 60 10 5.54.2 计算变压器参数（1）计算原边的输入容量：1).S1=S2/，已知 S2=130+60+10=200V.A;根据表 1：小型单相变压器的效率 的估算值可以取 =0.85，因此，S 1=S2/=200/0.85=235V.A；（2）.铁心尺寸的选定 ：计算铁心截面积 A ：AK 0 S根据表 3-2，.截面积计算系数 K0 的估算值可以取 K0=1.45 ,因此AK 0 =1.45* =20.5 2；S0（3）.计算绕组线圈匝数：小型变压器的设计12a）每伏电压应绕的匝数:N 0= = =2.43 匝/V；式中的 Bm=0.9T ENfBmA4.10b）根据 N0和各线圈额定电压求出各线圈的匝数：一次绕组匝数：N 1=N0U1=220*2.43=537 匝；二次绕组匝数：N 2=1.05*N0U2=1.05*2.43*110=281 匝;N3=1.05*N0U3=1.05*2.43*36=92 匝；N4=1.05*N0U4=1.05*2.43*6.3=16 匝；（4）计算导线直径 d:a）一次输入电流：I 1=S1/U1*(1.11.2)=235/220*1.1=1.175(A);b）直径 dw= =1.13 =0.715 ；j 取 2.5A/ 2；ji/4JIIc）导线截面积：Ac=I/J；所以：d 1=0.77，d 2=0.77,d 3=0.92,d 4=0.90；Ac1=0.47 2；（5）根据绕组尺寸核算窗口面积小型变压器的设计13骨架图单相壳式变压器图 （a）每层绕组匝数 ：n i=0.9h-(24) / di ；则：n 1=0.9(61.5-3) / 0.77=68 匝；n2=68 匝； n3=57 匝；n 4=59 匝；（b）每组绕组需绕层数：m i=Ni / ni； 则：m 1=N1 / n1=537/68=8 层；同理：m 2=5 层；m 3=2 层；m 4=1 层；（6）变压器绕组层间绝缘方法a=35mmb=60mmc=22mmh=61.5mm小型变压器的设计14（a）绕组总厚度：.B1=m1（d 1+ ）+ =8（ 0.94+0.08）+0.30=8.46（） ；B2=m2（ d2+ ）+ =5（0.94+0.08 ）+0.30=5.4（） ；2B3=m3（ d3+ ）+ =2（1.09+0.08）+0.30=2.7（） ；3B4=m4（ d4+ ）+ =1（1.09+0.1）+0.30=1.5（） ；4B=1.2*(8.46+5.4+2.7+1.5)=21.67（）22（） ；绕组总厚度