变压器课程设计-兰州交通大学

1、电气2013级“卓班”企业课程（电机学）实习与实训报告评语：考 勤（10）守 纪（10）实习报告（20）实训过程（20）实训报告（30分）小组答辩（10）总成绩（100）专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 兰州交通大学自动化与电气工程学院2015年7月 25日 1 实习报告1.1实习项目1.1.1 实习项目 1时间：2015-7-22，上午8：00至12: 00 地点：中国北车集团兰州机车厂指导教师：张红生实习内容：了解电机生产、制造的工艺流程及测试方法今天，我们来到了中国北车兰州机车厂了解电机生产、制造的工艺流程及测试方法。兰州机车厂隶属中国北方机车车辆工

2、业集团公司，是西北地区机车检修的重要基地，目前检修的主要品种有东风系列内燃机车和韶山型电力机车。北车兰州机车有限公司是中国北车股份有限公司的全资子公司，始建于1954年，是我国西北地区唯一的内燃机车、电力机车检修基地，铁路工程机械制造基地和规模最大、品种最全的工矿机车制造基地，属国家高新技术企业。今天，在老师的带领下，我们来到了兰州机车厂进行了认识实习。在进入厂区前，工作人员给我们详细地介绍了相关的注意事项，我们了解到厂区内部的设备大多都是带电设备，不能直接触摸，以免发生危险，同时也给我们介绍到中国北车兰州机车厂是中国北车集团下属的分公司，主要承担机车的保养和修理任务。当机车运行到120万公里

3、时就必须要进厂检修。检修也是一步一步完成的，他们厂里的各个车间分别承担着不同的检修任图1 内燃机车主发电机转子 务。进入车间，我们在一个老师的带领下，从外向里开始参观。首先我们参观了电机车间，观看了电机部件的生产，电机的拆卸及组装。进入车间后，我们看到了正在检修的内燃机车主发电机的定转子（如图1和图2所示），在发电机转子的转子上，绕着一系列的励磁绕组，励磁绕组是可以产生磁场的线圈绕组，有串励和并励之分的，发电机内用励磁图2 内燃机车主发电机定子 绕组，可以替代永磁体，可以产生永磁体无法产生的强大的磁通密度，且可以方便调节，从而可以实现大功率发电。在发电机的定子绕组上，绕的是发电机的电枢绕组，电

4、枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。接下来，工作人员又带我们了解了机车上的电压互感器，电压互感器的实质就是一个带铁芯的变压器，它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。最后，我们又参观

5、了电器车间，进去后就可以看到组成机车电气系统的分立元件的生产和检修，车间分为了两部分，一部分用于机车电气系统中一些较大部件的检修，生产和加工；另一部分是一些机车电气小部件及控制开关的检修生产。通过今天的参观实习，我对电机的检修与生产的工艺流程有了进一步的认识，不仅见到了原来在课本上学过但却没有实际见过的东西，也学到了原来在课本上学不到的知识，让我深刻的认识到将理论转换为实践的重要意义，在以后的生活和工作中，我要不断的充实和丰富自己，不放弃任何能够锻炼自己的机会，让自己能够学习到更多的知识。1.1.2实习项目2 时间：2015-7-22，下午2：30至4: 30 地点：甘肃宏宇变压器有限公司指导

6、教师：张红生实习内容：了解变压器生产、制造的工艺流程及测试方法今天，我们在老师的带领下来到了兰州宏宇变压器有限公司进行参观实习，了解变压器的相关生产，制造的一系列的工艺流程，变压器是用来改变交流电压大小的电气设备。根据电磁感应原理，以相同的频率，在两个或者更多的绕组之间，变换交流电压和电流而来传输电流的电气设备，就是利用的磁生电和电生磁。首先，我们大致参观了解了变压器的各个组成部分，它是由铁芯，绕组，附件，温控装置组成的。铁芯：由硅钢片叠成，是完成电能-磁能-电能的转换的主体。（如图3所示）绕组：包含图3 变压器铁芯硅钢片 初级线圈和次级线圈，一次线圈是将原边电能引进变压器中完成励磁作用，二次

7、线圈是将磁能转换成电能并传送出去，线圈通常是依靠三角型或星型连接的。附件：绝缘体，包括初次级绝缘，匝间绝缘和与铁芯和外壳之间的绝缘。温控装置：变压器均有温度过热保护装置，过热保护装置主要是通过在低压线圈中的热敏电阻实现的变压器温度检测与控制。铁芯硅钢片的工艺包括纵剪，横剪，变压器铁芯叠装以及变压器的涂漆和绑扎。纵剪的主要部分就是调刀和试剪，在调试过程中要注意间距，以保证在裁剪过程中硅钢片的边缘不会出现毛刺，波浪等现象。试剪出来的硅钢片一定要符合图纸的要求，一旦出现偏差，必须要调整滚剪刀，直至合格。横剪的机械化程度较高，在生产过程中只需要调好机器，调整好程序，在试剪合格后，就可以大量机械裁剪了，

8、一般用厚度为 图4 变压器铁芯的涂漆 0.3mm的冷轧硅钢片，因为冷轧硅钢片具有具有更高一级的晶粒取向当磁力线方向沿碾轧方向时导磁的性能是最好的，并且冷轧硅钢片还具有较低的线性磁滞伸缩和较小的应力敏感度。变压器铁芯的叠装是最重要的一道工序，叠装的好坏会直接影响到变压器铁芯的性能，我们所参观的是采用三柱式全斜接的一种叠片方式，变压器铁芯的铁轭多采用的是多级阶梯形截面。大型的变压器的漏磁场很强漏磁在铁芯柱表面最小级叠片内产生的涡流较大可能会引起局部过热，所以将铁芯表面最小级的硅钢片沿长度方向开槽，做成二拼，三拼等，来减小遏流。变压器涂漆的是为了防锈，如果变压器铁芯生锈，将大大降低变压器的寿命以及变

9、压器的性能，变压器的铁芯柱绑扎采用玻璃纤维粘带绑扎。（如图4所示）接下来，我们又了解到了变压器的绕组工艺，变压器的绕组工艺分为高压绕组的分段圆筒式绕制和低压绕组箔式绕制。变压器的绕组构成设备的内部电路，它与外界的电网直接相连，是变压器最重要的部件。高压绕组通常套在最外面，引出分接头比较方便，高压侧的电流较小，引出的分接引线和分接开关的载流部分截面小，开关接触部分比较容易解决。低压绕组在绕制过程中要注意匝数校对，铜箔边缘的毛刺和不平等现象。（如图5所示） 最后，我们简单地了解到了变压器的测试，变压器的测试分为六个部分：绝缘电阻测试；工频耐压试验；变压器的负载损耗；变压器的空载损耗；倍频以及局部放

10、电测试。通过今天的认识实习，加深了我对变压器构造以及参数方面的了解，在参观实习的过程中，我们有不明白的地方向工作人员提问时，他们都能够为我们详细讲解，让我对变压器知识又有了更新、更深的认识，对我接下来所进行的变压器设计收益颇丰。 图5 变压器绕组1.2 体会 虽然只是短暂的实习，却让我了解到了许多有关变压器和电机的知识，也丰富了我的理论基础。参观后的最大感慨就是，在整个变压器的制造工艺与流程中，绝大部分是手工完成，自动化程度不高。相比于现在的科技，变压器的制造却显得如此“原始”，这让我不得不思考，究竟怎样才能让变压器制造的自动化程度提高，这也许会在以后的学习中慢慢得出结论吧。与此同时，我对电机

11、的定、转子结构有了一个基本的了解和认识，对于电机学中的有些概念与结构图有了更清晰地认识，顿时感到豁然开朗了许多。然而遗憾的是，师傅们讲解的还是不够清晰与透彻，我任然有许多困惑与不解，希望在以后的学习中通过自己的努力解决掉这些问题。最后，通过老师的讲解，我大体了解了相关知识。通过这两次次的实习，我渐渐明白，每个行业的电机都有其独特的一面，都在本行中发挥着重要的作用。因为电机所处的行业决定了其功能与性能，也决定了其特殊的技术要求。这让我更坚定了以后的学习，也对电机有了更浓的兴趣，希望在以后学到更多有关电机和变压器的知识。首先：作为一名大学生，实习实践是学生对专业知识的进一步巩固和认识。也是我们顺利

12、融入社会的一项有利保障。因为学生自古以来都是以学为本，社会实践的机会机会相对较少。因此，对于我们来讲，动手能力是我们能成功就业的关键。同时生产实践，也是对我们协作能力，处理同学关系的一次锻炼。其次：对于学校而言，学校作为社会人才的培养单位，有义务和责任为学生提供学习和实践的条件。实习实践作为学校人才培养的重要环节之一，是学校建立学生-社会-学校三线一体的一个重要举措。生产实习过程中学生需遵守学校生产实习规定和要求，并能够按时完成老师布置的工作，如做好笔记，完成实习报告等。学校在生产实习中通过分组的教学模式，使学生建立一定得团队意识。大学给我们将来工作学习提供了实践的舞台，因此我们才能为将来顺利

13、进入社会做好准备。再次：对于公司企业，实习实践是一种对用人单位和学生都有益的人力资源制度安排。对于拥有具有生产实践经验的员工而言，是企业发展储备人力资源的措施。任用具有实践经验的员工可以降低公司和企业的经营成本。因此大范围的选择人才，培养和锻炼具有实践经验的大学生，是为迎合社会需求的重要举措，也是作为用人单位的公关手段。2 实训报告2.1.1 设计题目及具体任务设计一台三相配电变压器，与该变压器相匹配的数据如下所示：容量：40kVA； 额定电压：10±5%/0.4kV；额定频率：50Hz； 相数：3联接组别：Y, yn12； 冷却方式：ONAN短路阻抗：4.0% 短路损耗：990W空

14、载损耗：290W 绝缘等级：H级效率：在功率因数cos为0.8（滞后）的满负载时为95%执行标准：GB200522006 三相配电变压器能效限定值及节能评价值 因为该设计产品为小容量的变压器，在这次的三相配电变压器的电磁计算与结构设计过程中，主要做的就是变压器的额定电压和额定电流的计算，铁芯直径的确定，计算绕组的数据，高低压侧绕组匝数的确定，高低压侧绕组匝数的分配，变压器高低压侧导线的选择以及两侧线圈尺寸的计算，绝缘半径的计算等基本参数的确定。因为引线损耗与各种附加损耗较小，所以根据经验公式可将其忽略。当负载损耗过大时，要重新进行匝数分配，直到符合要求为止。变压器的空载损耗主要是铁芯损耗，它由

15、磁滞损耗和涡流损耗组成。影响空载损耗的主要参数是芯柱和铁轭的重量，不符合要求时，主要调节这两个参数。绕组对油温升是整个计算过程的难点，主要是有效散热面积的确定非常困难。温升是指变压器绕组或铁芯的温度与周围冷却介质的温度之差。所以计算出的高低压绕组对油温升符合要求。 2.1.2 设计思路分析 在设计变压器时，我先根据中小型变压器实用全书一书中第五章第二节内容：基本参数的确定，先了解计算过程，即先根据所给数据算出高低压侧额定电压额定电流，再是铁芯直径与绕组数据的计算，接着根据以上数据求出绕组电阻以及铁芯的数据，在最后是电压器的阻抗和其他参数的计算。在计算的过程中了解各个量之间的关系，再根据计算机辅

16、助电机设计一书中第二章第一节内容：MATLAB基础以及计算方法中关于MATLAB的介绍，进行MATLAB编程；在编程的过程中，在可变范围内不断调整一些可变参数的值，直到满足设计要求并且为最优参数为止。在设计过程中，首先根据题目中所给出的变压器的高低压侧的联接方式和联接组号以及高低压侧的额定电压即可以算出此变压器的高低压侧的相电压，线电流和相电流，根据变压器的容量SN和相数m可以计算出变压器的每柱容量SZ，根据查阅资料所得出的经验系数KZ即可以计算出变压器的铁芯直径D.根据铁芯直径D，查阅相关资料中的表格得出铁芯的净截面积Sc和三相角重G0。在计算高低压侧的绕组匝数时，我首先初选一个磁通密度Bm

17、1为1.7T，根据初选出的磁通密度可以算出匝电势et，再根据匝电势算出低压侧的匝数，再由低压侧匝电势确定一个磁通密度Bm，由匝电势即可以算出高压侧最大分接匝数、额定分接匝数和最小分接匝数。变压器高低压侧的匝数分配，根据资料，我将高压绕组分为15层，其中内线圈4层，外线圈11层，低压绕组分为2层，进而计算出低压侧的每层匝数和高压侧的层最大匝数。在选择高低压侧导线时，初选一个电流密度，高压侧电流密度为3.4A/mm²，低压侧电流密度为3.45A/mm²算出导线截面积A，再有查表得出一个导线截面积非常接近A的值，重新确定高低压侧的电流密度，查表从而确定高低压侧导线规格，在计算线圈

18、尺寸是，我首先算出每层导线之间的气隙长度，假定每层导线间的气隙不变，再确定高低压绕组的幅向尺寸和轴向尺寸。结合铁芯与低压绕组间的距离，主空道距离，高压绕组两线层之间的油道距离，相邻两柱绕组之间的距离和最先算出的铁芯直径可以算出低压绕组平均半径，高压绕组内层平均半径，高压绕组外层平均半径和铁芯及绕线的中心距M0。1.1.3 计算流程图计算流程图（如图6）图6 三相配电变压器的电磁计算与设计流程图2.1.4 MATLAB程序MATLAB程序见附录一 设计计算结果表1：计算结果硅钢片牌号高压侧匝数低压侧匝数短路阻抗（%）27QG1301972/2075/2179833.9%铁芯直径（mm）高压侧层数

19、低压侧层数空载损耗P0（W）10615(4/11)2561.064磁通密度（T）高压侧每层匝数低压侧线规（mm）负载损耗Pk（W）1.697139978.944硅钢片重（kg）高压侧线规（mm）低压侧电流密度（A/mm²）低压侧绕组温升（）482.263QZ 0.93/1.023.44943.726窗高（mm）高压侧电流密度（A/mm²）低压侧线重（kg）高压侧绕组温升（）182.8103.40014.89020.215中心距（mm）高压侧线重（kg）主空道（mm）194.44025.5837.03 总结这次课程设计是一次非常好的锻炼机会,历时二个星期左右，通过这二个星期的

20、学习，我发现了自己的很多不足，自己所掌握的书本上的知识与现实设计中的差异，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。课程设计是培养我们综合运用所学知识发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程. 此次变压器课程设计，我仍体会颇深。从中学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中，

21、难免会遇到各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的很多的不足，自己知识的很多漏洞，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。感激学院让我有这次学习设计的机会，让我受益匪浅，这次学习对于我们没有真正实践经验的同学来说，绝对是一次成长的机会。4 参考文献1 姜宏伟等. 计算机辅助电机设计M. 北京：中国电力出版社，2009.2 戴文进译. 电机原理与设计的MATLAB分析M.北京：电子工业出版社，20063 姚志松等 中小型变压器使用全书M. 北京：机械工业出版社，2008附录一 变压器优化计算 MATLAB程序及附图1 MATLAB程序clc;clear all;%电压电流计算%f

22、printf('硅钢片牌号： 27QG130n');Sn=40; %额定容量 KVAU1=10000; %高压侧线电压 VU2=400; %低压侧线电压 VU1n=U1/sqrt(3);%高压侧相电压 VU2n=U2/sqrt(3);%低压侧相电压 VI1=Sn/(sqrt(3)*U1)*1000;%高压侧线电流 AI1p=I1; %高压侧相电流 AI2=Sn/(sqrt(3)*U2)*1000;%低压侧线电流 AI2p=I2; %低压侧相电流 Af=50; %额定频率 Hzm=3; %相数cos_phi=0.8;%额定功率因数 Sz=Sn/m; %铁芯柱容量 KVA%铁芯直径

23、的选取%Kz=55; %初选经验系数 对于冷轧硅钢片铜线变压器取5460D=Kz*sqrt(sqrt(Sz); % D铁芯直径，mm；Kz经验系数；Sz-铁芯柱容量 D=ceil(D);Sc=73.8; %净截面积 cm2 （查表得）Go=12.2; %三相角重 kg (查表得)fprintf('铁芯的直径：D = %d mmn',D);%绕组数据计算%1、高低压绕组匝数确定Bm1=1.7; %初选磁通密度 冷轧硅钢片一般取1.601.75T(查表得)et=Bm1*Sc/45; %匝电势 V/匝N2=U2n/et; N2 =ceil(N2); %低压侧绕组匝数Et=U2n/N2

24、; %重新调整每匝电势Bm=Et*45/Sc; %重新调整磁通密度fprintf('磁通密度：Bm = %5.3f Tn',Bm);N1=U1n/Et; N1 =ceil(N1); %高压侧额定绕组匝数N11=U1n*1.05/Et; %高压侧最大分接电压匝数N11 =ceil(N11); %高压侧额定绕组匝数N12=U1n*0.95/Et; %高压侧最小分接电压匝数N12 =ceil(N12); %高压侧额定绕组匝数fprintf('匝电势：Et = %f V/匝n',Et);fprintf('高压侧绕组匝数：N12/N1/N11 = %d/%d/%d

25、 匝n',N12,N1,N11);fprintf('低压侧绕组匝数：N2 = %d 匝n',N2);%2、导线选择及线圈尺寸计算J11=3.4; %初选高压侧电流密度 电流密度：（对于阻抗电压为4%的油浸式变压器电流密度取33.77，对于铜线而言）A11=I1p/J11; %高压绕组导线截面积A1=0.6793; %查表得出高压侧的铜线截面积J1=I1p/A1; %调整之后的高压侧电流密度fprintf('高压侧的线规：QZ 0.93/1.02n');%(QZ：漆包圆铜线；裸导线外径/漆包线最大外径)J22=3.45; %低压侧初值电流密度A22=I2p

26、/J22; %高压绕组导线截面积A2=16.74; %查表得出低压侧的铜线截面积J2=I2p/A2; %调整之后的低压侧电流密度fprintf('低压侧的线规：ZB 1.68X10.0/2.13X10.5 n');%(ZB：纸包扁铜线；裸导线厚度X宽度/裸线厚度加两边纸包总厚度（0.45mm）X宽度加裕度（0.5mm）)fprintf('高压侧电流密度：J1 = %5.3f A/mm2n',J1);fprintf('低压侧电流密度：J2 = %5.3f A/mm2n',J2);%3、层式线圈尺寸的确定Nc1=139; %高压侧共15层，内层4层，

27、外层11层 Nc11=129; %除调整层129匝，其余139匝Nc2=41.5; %低压侧2层fprintf('高压侧层数：Nc1 = 15 （4/11）层n');fprintf('低压侧层数：Nc2 = 2 层n');b1=1.02; %高压侧带绝缘导线的直径b2=2.13; %低压侧裸线厚度加两边纸包总厚度Nb1=1; %并绕根数h1=0.01; %轴向绕制裕度01%H1=(Nc1+1)*Nb1*b1+h1;%高压侧绕组轴向高度H11=H1-b1; %高压侧绕组轴向有效高度H2=(Nc2+1)*Nb1*b2+h1;%低压侧绕组轴向高度H22=H2-b2;

28、%低压侧绕组轴向有效高度Uc1=2*Et*Nc1; %高压侧层间最大电压Uc2=2*Et*Nc2; %低压侧层间最大电压a11=(b1*4+3*3*0.12)*1.07;a11 =ceil(a11); %高压内测线圈幅向尺寸a12=(b1*11+10*3*0.12)*1.07;a12=ceil(a12); %高压外侧线圈幅向尺寸a2=(b2*2+2*0.12+0.76); a2=ceil(a2); %低压侧线圈幅向尺寸%4、高低压之间绝缘距离r=D/2;%铁芯半径d1=3.5;%低压绕组至铁芯距离，是低压绕组套装裕度（包括低压纸筒厚）r21=r+d1;%低压侧绕组内部线层半径L21=pi*(2

29、*r21+a2)/1000;%低压侧线圈的平均匝长 md2=7;%主空道距离r11=r21+a2+d2+2;%高压侧内线圈的内半径L11=pi*(2*r11+a11)/1000;%高压侧内线圈的平均匝长 mr13=r11+a11+4;%高压侧外线圈的内半径L12=pi*(2*r13+a12)/1000;%高压侧外线圈的平均匝长 mL2=L21*N2+0.5;%低压侧导线的总长 公式中的0.5考虑了引线的长度L1=L11*(Nc1*4)+L12*(10*Nc1+Nc11);%高压侧导线总长度 mr14=r13+11*b1;%高压绕组外绕组的外半径 L1e=L1-0.05*N1*(2*r14-b1

30、)*pi/1000; %高压额定电压处导线总长 ml2=L2/N2;%低压绕组平均匝长l1=L1e/N1;%高压绕组平均匝长d4=9;%相间距离Mo=2*r14+d4;%中心距 两铁芯间距离fprintf('中心距：Mo = %5.3f mmn',Mo);%5、每相电阻r2(75)=0.02135*L2/A2;%低压绕组电阻r1(75)=0.02135*L1e/A1;%高压绕组电阻Pr1=3*I1p*I1p*r1(75);%高压侧绕组电阻损耗Pr2=3*I2p*I2p*r2(75);%低压侧绕组电阻损耗kp=1.05;% 附件损耗系数 查表得Pk=(Pr1+Pr2)*kp;%负

31、载损耗 fprintf('负载损耗：Pk = %5.3f Wn',Pk );%6、短路阻抗的计算Hp=(H11+H22)/2/10;%高低压绕组平均有效电抗高度 cma0=0.9;%为高低压绕组间铜到铜油道宽度（即加纸包绝缘厚度） cma21=0.168*4;%低压绕组线层厚度a22=0;%低压侧没有内外绕组之分r22=r21+a21;%低压绕组外半径a20=0;r2p=(r22+a20/2)/10;%低压绕组平均半径 cmr24=r22;r0p=(r24+a0/2)/10;%主漏磁空道平均半径 cma10=0.4;%高压绕组内外线段间油道 cmr1p=(r11+(a11+a1

32、0+a12)/2)/10;%高压绕组平均半径r20p=0;%低压绕组中油道平均半径r12=(r11+4*2.13)/10;%高压绕组内部线层的外半径r10p=(r12+a10/2)/10;%高压绕组层间油道的平均半径N22=41.5;%电压绕组每层的匝数N21=41.5;%低压绕组每层的匝数DD=(a21/10+a22/10)/3*r2p+a0*r0p+(a11+a12)*r1p/3+a20*(N22/(N21+N22)*(N22/(N21+N22)*r20p+a10*(N12/(N11+N12)*(N12/(N11+N12)*r10p-40;%漏磁演化宽度 cmSS=a20+a21+a22+a0+a10+a11+a12-18.7;%漏磁场宽度 cmZ=Hp/SS;ZZ=0.89;%由Z得洛氏系数ZZK=1;%查表得Ux=49.6*f*I2p*ZZ*DD*K/Hp/Et*1e-5+2;%电抗压降Ut=Pk/10/Sn;%电阻压降Uk=sqrt(Ux*Ux+Ut*Ut);%短路阻抗fprintf('短路阻抗：Uk = %5.3fn',Uk);%7、绝缘后导线重Gd11=3*8.9*A1*