小型单相变压器设计与相关计算.doc

小型单相变压器设计1、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。1.1变压器的基本结构1、1、1主要组成(1) 铁心为了减少铁损耗，变压器的贴心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶体片制成。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，乡邻两层硅钢片的接缝要相互错开。（2）绕组变压器的绕组用绝缘导线或扁导线绕成，实际变压器的高，低压绕组并不是分装在两个铁心柱上，而是同心地套在同一个铁心柱上的。为了绝缘的方便，通常低压绕组在里面，靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面。（3）其他除铁心和绕组外，因容量和冷却方式的不同，还需要增加一些其他部件，例如外油绝缘套等等。1、1、2主要类型按相数的不同，变压器可分为单向相变压器和三相变压器等。按每相绕组数量的不同，变压器可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。按结构形式的不同，变压器可分为心式和壳式两种。心式变压器的特点是绕组包围着铁心。脆变压器用铁量较少，构造简单，绕组的安装和绝缘比较容易，多用于容量较大的变压器中。壳式变压器的特点是铁心包围绕组。脆变压器用铜量少，多用于小容量变压器中。2、 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，副绕组匝数为。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，产生电流，建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势。当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流0，一部分为用来平衡2，所以这部分电流随着2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。2、1 电压变换当一次绕组两端加上交流电压时，绕组中通过交流电流，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、2 电流变换变压器在工作时，二次电流的大小主要取决于负载阻抗模|的大小，而一次电流的大小则取决于的大小。 （1-5） （1-6）说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。2.3 阻抗变换变压器的二次绕组接有阻抗模|ZL|的负载时，若忽略Z1，Z2和I0，则 |ZL|=U2/I2=U1/ (K2*I1)U1与I1之比相当于从变压器一次绕组看进去的等效电阻模|Ze|=k2|Zl|可见，当负载直接接电源时，电源的负载阻抗模为|ZL|，通过变压器接电源时，相当于将组抗模增加到|ZL|的k2倍，在电子技术中经常利用变压器的这一阻抗变换作用来实现“组抗匹配”2、4电压比N1一次侧绕组的匝数；N2二次侧绕组的匝数。当N1N2时，Kul，此时U1U2这时的变压器称为降压变压器。当N1N2时, Ku1，此时U1U2，这时的变压器称为升压变压器。3、 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。3、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。3、1、1 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 S=（单位为VA） （3-2）式中 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。表3-1 小容量变压器计算参考数据变压器容量VA磁通密度10T效率（%）电流密度铁心计算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.13、1、2 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 （3-1）式中 二次侧总容量（VA）,二次侧各个绕组电压的有效值（V）；, 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A）。3、1、3确定变压器的额定容量 变压器的二次容量为 式中 S2变压器二次容量，VA： U2、U3、Un二次各绕组电压有效值，v； I2、I3、In二次仍各绕组电流有效值A。 变压器在传递功率过程中，本身存在着铁损和铜损，故一次容量比二次容量大。 式中 变压器的效率。总是小于1，变压器的容量越小，也越小，v的数值见表1:表1：小容量变压器效率值 变压器的额定容量： 3、2 铁心尺寸的选定3、2、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 ）。 （3-5）A铁心柱的净面积，单位为cm2截面计算系数，与变压器额定容量有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时可取小些截面积计算系数表3-2 截面积计算系数的估算值 /VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0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 （3-6）式中 a心柱的宽度（mm）；b心柱的净叠厚（mm）；心柱的实际厚度（mm）；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，=0.93；对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片， =0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，=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achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401603、3 绕组的匝数与导线直径3、3、1计算每个绕组的匝数 设Ni表示变压器每感应1V电动势所需绕的匝数，即 关于Bm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DW24035、DW26535的Bm取1.01.2T；当变压器容量为100一1000VA时，Bm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的Bm取0.81.0T；当变压器容量为1001000VA时，Bm取1.0一1.2T。 如果不知道硅钢片的牌号，按经验可以将硅钢片扭一扭，如硅钢片薄而脆，则磁性能较好(俗称高硅)，Bm可取得大些；若硅钢片厚而软，则磁性能较差(俗称低硅)，Bm值可取得小些。一般Bm可取在0.71.0T之间。 设计时二次侧的绕组应增加5的匝数，以便补偿负载时的电压降。3、3、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/mm2。对于连续工作时可取J=2.5A/mm2导线的截面积：Ac=I/j. 导线的直径： =0.715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：mm；I 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 导线材料的选取螺线直径导线品种0.060.140.150.210.230.330.350.490.510.620.640.720.740.961.01.741.812.022.12.44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硅有机双玻璃丝包线0.250.270.270.283、4 绕组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）式中 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；（24）考虑裕度系数。各绕组所需层数为 （3-12）各绕组厚度为 （3-13）i=1,2,n 式中 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0.12mm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 （3-14）式中 绕组框架的厚度（mm）；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。4、 实例计算如上图所示，取 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）计算副边的容量：S2=U2 I2 + U3 I3=300*0.2+50*0.1=65(VA) 2)计算原边的容量：/根据表1：小型单相变压器的效率的估算值可以取=0.82 因此，/=65/0.82=79.3(VA) 3）计算变压器的额定容量=1/2（）=0.5*（65+79.3）=72.2(VA)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75VA 2、 铁心尺寸的选定1）计算铁心截面积AA0根据表2. 截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.40因此，A0=1.40=12.1（cm2）2）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 =3.4（匝/V）式中的=1.1T (铁心材料国热轧硅钢片)2) 根据和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 =U1=3.4*220=748 =（1.051.10） U2=1.10*3.4*300=1122 =（1.051.10） U3=1.10*3.4*50=1874、计算导线直径d导线的截面积：Ac=I/j. =1.15*79.3/220=0.415(A) Ac1=0.415/2.5=0.17 mm2 =0.715=0.46 mm同理：Ac2=0.08 mm2 =0.32 mmAc3=0.04 mm2 =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QZ0.06副边的材料为高强度聚酯包线QZ0.05五、 结论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、 心得体会这次课程设计是我第一次做课程设计，通过这次设计，我感觉到这不仅是对前面所学知识的一种检验，更是对自己实践动手能力的一种提高。通过课程设计我有了一些自己的理解，在这里我要对整个课程设计的过程做一下简单的总结。选题是毕业设计的开端，更是对自己学习东西检验的一个见证，同学们都会根据自己掌握的比较好的知识段去选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个课程设计是否能够顺利进行并且获得好成绩关系极大。这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至做不出自己满意的课程设计，难以到达目的地。因此选题时一定要考虑好。没有努力就不会有收获，通过这次设计，我对电子设计中的的基本方法和过程等有了一定的了解和认识，对以前学的电子知识又有了一定的新认识，但在设计的过程中，遇到了很多的问题，有一些知识都已经不太清楚了，也有的地方没掌握的太好，但是通过一些资料又重新的温习了一下电子知识又有了点提高。在这次毕业设计中同学之间互相帮助的良好习惯也使我们的同学关系更进一步了，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法可以让我们更好的理解知识，可以从不同的方向去构思自己的课程设计，在这里非常感谢帮助我的同学，课程设计使我们更加团结。由于我知识的浅薄和设计的不周，这个课程设计不是很完善，有很多地方有漏洞，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益，我会在以后的学习中继续努力。七、 主要参考文献1. 李海发编著。 电机学。 北京：科学出版社，2001年 2. 唐介编著。 电机与拖动。 北京：高等教育出版社，2003年3. 许实章主编。 电机学（下册）（第2版）。北京：L机械工业出版社，1990年 4. 汤蕴璆等编。 电机学。 西安：西安交通大学出版社，1993年 5. 周励志编。 实用电工计算手册。 辽宁科学技术出版社，1990年致谢本实验之所以能够顺利的进行，首先我要感谢我的指导教师，给我指出了明确的方向。让我少走不很多弯路，其次我要感谢我的同学，在我遇到难题时热心的帮助我，让我离成功更近一步。最后我要感谢学校老师能给我这次课程设计的机会，让我学到了平时学不到的东西， 提高了我的个人实践能力，为以后的发展打下了坚实的基础。