2022年《电机与拖动》课程设计_小型单相变压器设计 .pdf

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1、1 小型单相变压器的设计和绕制班级: 08机电 3 班姓名：王迎座学号： 04040803034 指导教师：赵炜平日期： 6 月 25 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 13 页 - - - - - - - - - 2 目录一、 小型单相变压器简介二、变压器的工作原理三、变压器的基本结构四、设计内容五、实例计算六、结论七、心得体会名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

2、- - - - - - - 第 2 页，共 13 页 - - - - - - - - - 3 一、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。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，变压器常用的铁心形状一般有E 型和

3、 C型铁心。变压器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。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1u，产生电流1i，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

4、3 页，共 13 页 - - - - - - - - - 4 建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势21ee和。（1） 电压变换当一次绕组两端加上交流电压1u时，绕组中通过交流电流1i，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）（1-2）（1-3）（1-4）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2I的大小主要取决于负载阻抗模|1Z| 的大小，而一次电流1I的大小则取决于2I的大小。2211IUIU又（1-5）KIIUUI22121（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

5、单相变压器一般是指工频小容量单相变压器。三、 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 13 页 - - - - - - - - - 5 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：

6、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低压线圈四、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。根据设计的要求，我选定的为500VA的变压器。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，是指变压器二次名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

7、- - - - 第 5 页，共 13 页 - - - - - - - - - 6 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IUIUIUSnn. . . . . .33222（3-1）式中S2二次侧总容量（ VA）U2,U3, Un二次侧各个绕组电压的有效值（V） ；I2,I3, In 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

8、有损耗，所以一次绕组的容量应该为21SS（单位为 VA）（3-2）式中S1变压器的额定容量；变压器的效率，约为0.8 0.9 。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。表 3-1 小容量变压器计算参考数据变压器容量S1VA 磁通 密 度mB104T 效率 （% ）电 流 密 度)(2mmAj铁心计算中的K0值小于 10 60007000 6070 32.5 2 1050 70008000 7080 2.52 21.5 50100 80009000 8085 2.52 1.51.3 100500 900011000 8590 2.51.5 1.31.25 5001000

9、1100012000 9092 1.51.2 1.251.1 (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、二绕组容量的平均值，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 13 页 - - - - - - - - - 7 S=21*（S1+S2） （单位为 V A）（3-3）(4) 一次电流的确定11)2.11.1(USI（3-4）式中(1.1 1.2) 考虑励磁电流

10、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算（单位为2） 。SAK0（3-5）A铁心柱的净面积，单位为cm2 K0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

11、片时K0可取小些截面积计算系数K0表 3-2 截面积计算系数K0的估算值Sn /VA 10 1050 50100 100500 500 K021.75 1.75 1.5 1.5 1.35 1.35 1.25 1.251.0 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 13 页 - - - - - - - - - 8 计算心柱截面积 A后，就可确定心柱的宽度和厚度，根据图3 可知KcababA（3-6）a心柱的宽度（ mm ） ；b心柱的净叠厚（ mm ） ；b心柱的实

12、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。表 3-3 小型变压器通用的硅钢片尺寸a c h AH 13 16 19 22 25 28 32 38 44 50 58 64 7.5 9 10.5 11

13、12.5 14 16 19 22 25 28 32 22 24 30 33 37.5 42 48 57 66 75 84 96 40 50 60 66 75 84 96 114 132 150 168 19234 40 50 55 62.5 70 80 95 110 125 140 160 3、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AAfENBBNmm380105. 444. 410（3-7）0N对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V Bm 铁心柱内工作磁密最大值，单位：T A铁心柱截面积，单位：cm

14、2 当铁心材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.01.2T；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.21.5T，然后根据 N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数：UNN101（3-8）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 13 页 - - - - - - - - - 9 202)10.105. 1(UNN（3-9）UNN303)10.105. 1(（3-10）式中 N1 、N2 Nn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

15、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/mm2 ，而连续工作时可取J=2.5A/mm2 。导线的截面积： Ac=I/j. 导线的直径：ImmjIjId715.013.14导线直径根据工作电流计算，式中：d 原、副边各线圈导线直径，单位：mm ；I 原、副边各线圈中的工作电流，单位：A；根据表 3-4 选取相近的标准

16、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0.06 0.14 0.15 0.21 0.23 0.33 0.35 0.49 0.51 0.62 0.64 0.72 0.74 0.96 1.0 1.74 1.81 2.02 2.1 2.44 高强度聚酯漆包线0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13 硅有机单玻璃丝包线0.20 0.22 0.22 0.24 硅有机双玻璃丝包线0.25 0.27 0.27 0.28 4、绕组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

17、层匝数为)42(9 .0dhNc（3-11）d绝缘导线外径（ mm ） ；h铁心窗高（ mm ） ；0.9 考虑绕组框架两端厚度的系数；螺线直径导线品种名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 13 页 - - - - - - - - - 10 （24）考虑裕度系数。各绕组所需层数为cNmN（3-12）各绕组厚度为()iiiitm d（3-13）i=1,2,n 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

18、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0.12mm的青壳纸；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)2.11.1 ().(210ttttnt（3-14）t0绕组框架的厚度（ mm ） ；1.1 1.2 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 tc, 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、 实例计算如上图所示，已知：VASN100VU2 2 01VU242VU363VU1

19、104解：1、计算变压器的额定容量VASN1002、铁芯截面的计算及铁芯片的选择（磁密的选择）计算铁心截面积A A0NS截面积计算系数 K0的估算值可以取 K0=1.35 因此，A0NS=1.35100 =13.5（cm2 ） 铁心中柱宽度 a 与铁心叠厚 b 的计算 , 根据表 3. 参数 a、 b 的选取可以近似名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 13 页 - - - - - - - - - 11 取 a=28mm 因此， b=110F/a=110*13

20、.5/28=53.03 mm 此时 b/a=53.03/28=1.89满足 b=(1.22)a的通常要求。铁芯片的选择由于是小容量变压器，所以其铁心形式采用壳式。3、计算绕组线圈匝数求出每伏电压应绕的匝数mmABAfBENN45000044.41030= 3 （匝/V）式中的mB=1.1T (铁心材料国热轧硅钢片 ) 根据0N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数1N =0N U1=3*220=660 2N =（1.051.10 ）0N U2=1.10*3*24=80 3N =（1.051.10 ）0N U3=1.10*3*36=119 4N =（1.051.10 ）0N U4=1.10*3*110

21、=363 4、计算导线直径 d 导线的截面积：Ac=I/j. 11)2 .11.1 (USI=1.15*117.65/220=0.615(A) Ac1=0.615/2.5=0.246 mm2mmIjIjId56.0715.013.141同理可求： Ac2=2.25 mm22d =1.70 mm Ac3=1.50 mm23d =1.39 mm Ac4=0.49 mm24d =0.62mm 根据所求解的数据：可取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.07副边的材料为高强度聚酯包线QZ0.11 5、核算变压器绕组所占铁芯窗口的面积对一般的小型电源变压器，其工作环境、温升情况无特殊要求，工作电压为220V

22、，其间绝缘可用牛皮纸，其厚度为0.07mm ，线圈间的绝缘可采用 2-3 层牛皮纸或 0.12mm的青壳纸，采用现成的16x28 线圈框架。根据选定的铁心窗高h 计算没层可绕的匝数ni （匝）5268.0/ 3429.0)42( 9.011xdhN（匝）2082.1/ 3429.0)42(9 .022xdhN名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 13 页 - - - - - - - - - 12 （匝）2451.1/ 3429.0)42( 9.033xdhN（

23、匝）4874.0/ 3429.0)42(9 .044xdhN每组绕组需绕的层数mi 为：1M=1N/1n=660/52=13( 层) 2M=2N/2n=80/20=4( 层) 3M=3N/3n=119/24=5( 层) 4M=4N/4n=363/48=8( 层) 每绕组厚度()iiiitm d=13x(0.68+0.07)+0.12=9.87(毫米) ()iiiitm d=4x(1.82+0.07)+0.12=7.68（毫米）()iiiitm d=5x(1.51+0.07)+0.12=8.02（毫米）()iiiitm d=8x(0.74+0.07)+0.12=6.6(毫米) 所有总绕组的 t

24、为：)2.11.1 ().(210ttttnt =1.2x(1+9.87+7.68+8.02+6.6)=39.8(毫米) 变压器绕组所占铁芯窗口的面积为： S=h*t=42x39.8=1671.6(2cm) 6、最后计算铁芯和绕组的重量由表表 3-3 可知铁芯的截面积为：284cmA，高为： H=70cm 所以铁芯的重量为： M= v=AH=7.85x84x70=46158克=46.158 千克五、 结论通过上面的设计可知：有容量的选择；铁芯截面的计算及铁芯片的选择（磁密的选择）；计算每个绕组匝数 ; 一、二次电流的绕组导线截面的选择；根据已知绕组的匝数、线径、绝缘厚度等核算变压器绕组所占铁芯

25、窗口的面积；最后计算铁芯和绕组的重量。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，为使在名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 13 页 - - - - - - - - - 13 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

26、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、心得体会经过一周时间的学习实验，我已经对很熟悉了，在做课程设计的过程中，我感到自己学到的知识十分有限，所以查阅了大量书籍，通过这次书记的学习，我的知识增长了很多。更深刻地了解有关变压器的知识，同时也弄明白了以前不明白的知识点。这次实验设计对我的益处很大。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 13 页 - - - - - - - - -