电机与拖动课程设计小型单相变压器设计

1、小型单相变压器设计11小型单相变压器简介变压器是通过电磁耦合关系传递电能的设备，用途可综述为：经济的输送电能、合理的分配电能、 安全的使用电能。实际上，它在变压的同时还能改变电流，还可改变阻抗和相数。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。一、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，变压器常用的铁心 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

2、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Ni，副绕组匝数为N2。图（1）变压器结构示意图理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压ui，产生电流h，建立磁通，沿铁心闭合, 分别在原副绕组中感应电动势&和曳。（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'。(1-1)(1

3、-2)说明只要改变原、副绕组的匝数比，就能按要求改变电压。（2）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 决于12的大小。（1-3）（1-4）|乙|的大小，而一次电流11的大小则取又 U1I1 二U2I2(1-5)U2Ui(1-6)说明变压器在改变电压的同时，亦能改变电流。小型变压器的原理：小型单相变压器一般是指工频小容量单相变压器二、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

4、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。图（2）3、其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。图（3）单相心式变压器1铁柱；2铁轭；3高压线圈；4低压线圈三、设计内容计算内容有四部分：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

5、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=U2|2 小|3 . . Un|n（ 3-1）式中S二次侧总容量（vA）U 2, U 3, U n二次侧各个绕组电压的有效值（V）；I 2, I 3,I n 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A）。（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1=-耳（单位为V- A）（3-2）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

6、表3-1小容量变压器计算参考数据变压器容量SvA磁通密度Bm/ X 10_T效率n （%电流密度j/（A mm2）铁心计算中的K。值小于106000700060 703 2.5210 50r 7000800070 802.5 22 1.550 1008000900080 852.5 21.5 1.310050090001100085 902.5 1.51.3 1.255001000110001200090 921.5 1.21.25 1.1（3）变压器的额定容量由于本次设计为小型单相变压器，所以不考虑在三相变压器中的情况，只考虑在小型单相变压器的 情况。小型单相变压器的额定容量取一、二绕组容量

7、的平均值，1S二*（ S1+S2）（单位为 VA）（3-3）2（4）一次电流的确定S11 =(1.1 1.2) -(3-4)式中（1.1-1.2）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（4）所示。图（4）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

8、算单位为（cm2）。A 二 K"S（3-5）a铁心柱的净面积，单位为cmK0 截面计算系数，与变压器额定容量 Sn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KoSn/VAV 10105050100100500> 50021.75 说=05c1.35 1.25 1.751.51.351.251.0表3-2截面积计算系数 Ko的估算值后，就 度,根计算心柱截面积A 可确定心柱的宽度和厚 据图3可知（3-6）式中a心柱的宽度（mr）b心柱的净叠厚(mr) b'心柱的实际厚度(mr)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

9、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。表3-3小型变压器通用的硅钢片尺寸achH137.522405060667584961141321501683416924401910.53050221133552512.537.562.5281442703216488038195795442266110502

10、5751255828841406432961921603. 绕组的匝数与导线直径(1)计算每伏电压应绕的匝数从变压器的电势公式E=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数N1084.5 勺03(3-7)N!=4.44fBm BmA式中N。一一对应于每伏电压的匝数，单位：匝/VB m铁心柱内工作磁密最大值，单位： TA铁心柱截面积，单位：cni当铁心材料国热轧硅钢片时，取 B.=1.01.2T ;采用冷轧硅钢片时，可取 B=1.21.5T 然后根据N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数N广 N0U1(3-8)N2 =(1.051.10)N0U2(3-9)N(1.051.10)Nc

11、U3(3-10)式中N、NNU各线圈的匝数。为补偿负载时漏阻抗压降，副边各线圈的匝数均增加了5%10%（2） 计算导线直径d小型变压器的线圈多采用漆包圆铜线（QZ型或QQ型）绕制。为限制铜损耗及发热，按各个绕组的负 载电流，选择导线截面，如选的小，则电流密度大，可节省材料，但铜耗增加，温升增高。小容量变压 器是自然冷却的干式变压器，容许电流密度较低，根据实践经验，通过导线的电流密度J不能过大，对于一般的空气自然冷却工作条件，J=23A/mm。对于连续工作时可取J=2.5A/mm导线的截面积：A=l/j.d = J4 t =1.13 &mm导线的直径：7： ' j ' j

12、 =0.715 J导线直径可根据工作电流计算，式中：d 原、副边各线圈导线直径，单位： mmI 原、副边各线圈中的工作电流，单位：A；根据算出的直径查电工手册或表 3-4选取相近的标准线径。当线圈电流大于 10A时，可采用多根导线并 联或选用扁铜线。表3-4导线材料的选取螺0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.1、线导直线、径 品种1.742.440.140.210.330.490.620.720.962.02高强度聚酯漆包线0.030.040.050.060.070.080.090.110.120.13硅有机单玻璃丝包 线0.200.220.220.24硅

13、有机双玻璃丝包 线0.250.270.270.284. 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。绕组的匝数和导线的直径确定后，可作绕组排列。绕组每层匝数为(3-11)0.9h -(24)d'式中 d 绝缘导线外径（mm；h铁心窗高（mr）0.9 考虑绕组框架两端厚度的系数; （24）考虑裕度系数。各绕组所需层数为各绕组厚度为Nm -Nci=1,2,n(3-12)(3-13)式中 匚一一层间绝缘厚度（mm，导线较细（0.2mm以下），用一层厚度为0.020.04mm白玻璃纸,导线较粗(0.2mm以上)，用一层厚度为0.050.07mm的电缆纸(或牛皮纸)，更粗的导线，可用厚度为 0.12m

14、 m的青壳纸；7绕组间的绝缘厚度(mm,当电压不超过500V时，可用23层电缆纸夹12层黄蜡布 等。绕组总厚度为(3-14)t =(t° tl t2 . tn) (1.11.2)式中t。绕组框架的厚度(mr)1.11.2 考虑裕度的系数。计算所得的绕组总厚度t必须略小于铁心窗口宽度c，若t>c,可加大铁心叠装厚度，减小绕组匝数或重 选硅钢片的尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。四、实例计算女口上图所示，取 6=220/ U2 =300V U3 =50V 12 = 0.2A l3=0.1A计算变压器的主要参数，并选择可行的材料。 解：1、计算变压器的额定容量Sn1)计算

15、副边的容量：S2=U I 2 + U 3 I 3=300*0.2+50*0.1=65( V-A)2) 计算原边的容量：S =S2/ n根据表1：小型单相变压器的效率 n的估算值可以取n =0.82 因此，s =S7 n =65/0.82=79.3( V-A)3)计算变压器的额定容量Sn=1/2 (S2) =0.5* (65+79.3) =72.2( V - A)考虑到存在着一定的损耗，故可以定变压器的额定容量近似取75V-A2、铁心尺寸的选定1)计算铁心截面积AA= K Sn根据表2.截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.40因此，A= K 0 Sn =1.40 75=12.1 (cm22

16、)铁心中柱宽度a与铁心叠厚b的计算根据表3.参数a、b的选取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.此时b/a=47.5/28=1.7 满足b=(1.22)a的通常要求。3、计算绕组线圈匝数1 )求出每伏电压应绕的匝数N。N 103E _4.44fBmA-450000ABm=3.4 (匝 /V)式中的Bm=1.仃(铁心材料国热轧硅钢片)2)根据No和各线圈额定电压求出各线圈的匝数N1 = N0U 仁3.4*220=748N2= (1.051.10 ) N0 U2=1.10*3.4*300=1122N3= (1.051.10 ) N0 5=1.10*

17、3.4*50=1874、计算导线直径d导线的截面积：Ac=l/j.=1.15*79.3/220=0.415(A)2Ac1=0.415/2.5=0.17 mm=0.715 1 =0.46 mm同理：Ac2=0.08 mmd? =0.32 mm2QZ0.06副边的材料为高强度聚酯包线Ac3=0.04 mmd3 =0.23 mm根据所求解的数据：可以取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.05五、结论在本次的课程设计也是以电机与拖动我们的教材为主线，我们基本能按照设计任务书、指导书、 技术条件的要求进行。通过上面的设计可知：一般的小容量单相变压器的计算内容有四种部分：容量的确定；铁心尺寸的 确定；绕组的

18、计算；绕组排列及铁心尺寸的最后确定。变压器的效率80%90%对小容量变压器应考虑内部压降，为使在额定负载时二次侧有额定电压应适当的增加二次侧绕组匝数，约增加5%10的匝数。通过铜损的测定可知，小型变压器的的质量可以从他的空载损耗和短路损耗判断出来，越小越好， 同时工作温度也会低，并有很好的负载，通过空载电流的测定，铁损较大的变压器，发热量大，安培 匝数设计要是不合理，空载电流会大增，就会造成温升增大，有损寿命。单相变压器是具有两个线圈的变压结构：变压器主要是由铁心和绕组组成：1铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轨两不分，铁心柱上装有绕 组，铁轨是联系两个贴心柱的部分。2变压器绕组构成设备的内部电路，它与外界的电网直接相接，是变压器中最重要的部件，常把绕 组比做变压器的核心。六、心得体会一周的时间很快就要过去了，本次的课