1、綜述作為電能傳輸或信號傳輸?shù)难b置,變壓器在電力系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,在國民經(jīng)濟的其他部門,作為特種電源或滿足特殊的需要,變壓器也發(fā)揮著重要的作用。它的種類很多,容量小的只有幾伏安,大的可達到數(shù)十萬千伏安;電壓低的只有幾伏,高的可達幾十萬伏。如果按變壓器的用途來分類,幾種應(yīng)用最廣泛的變壓器為:電力變壓器、儀用互感器和其他特殊用途的變壓器;如果按相數(shù)可以分為單相和三相變壓器。不管如何進行分類,其工作原理及性能都是一樣的。變壓器是通過電磁耦合關(guān)系傳遞電能的設(shè)備,用途可綜述為:經(jīng)濟的輸送電能、合理的分配電能、安全的使用電能。實際上,它在變壓的同時還能改變電流,還可改變阻抗和相數(shù)。小型

2、變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡單的小型單相變壓器由一個閉合的鐵心(構(gòu)成磁路和繞在鐵心上的兩個匝數(shù)不同、彼此絕緣的繞組(構(gòu)成電路構(gòu)成。這類變壓器在生活中的應(yīng)用非常廣泛。1、變壓器的結(jié)構(gòu)1.1鐵心為了減少鐵損耗,變壓器的鐵心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或用非晶材料制成。其中套有繞組的部分稱為鐵心柱,連接鐵心柱的部分稱為鐵軛,為了減少磁路中不必要的氣隙,變壓器鐵心在疊裝時相鄰兩層硅鋼片要相互錯開。鐵心是變壓器磁路部分。為減少鐵心內(nèi)磁滯損耗渦流損耗,通常鐵心用含硅量較高的、厚度為0.35或0.5mm、表面涂有絕漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵心結(jié)構(gòu)有兩種基本形式:心式和殼式。1.2繞組變

3、壓器的繞組用絕緣圓導(dǎo)線繞成,是構(gòu)成變壓器電路的主要部分。原、副邊繞組一般用銅或鋁的絕緣導(dǎo)線纏繞在鐵心柱上。高壓繞組電壓高,絕緣要求高,如果高壓繞組在內(nèi),離變壓器鐵心近,則應(yīng)加強絕緣,提高了變壓器的成本造價。因此,為了絕緣方便,低壓繞組緊靠著鐵心,高壓繞組則套裝在低壓繞組的外面。兩個繞組之間留有油道,既可以起絕緣作用,又可以使油把熱量帶走。在單相變壓器中,高、低壓繞組均分為兩部分,分別纏繞在兩個鐵心柱上,兩部分既可以串聯(lián)又可以并聯(lián)。三相變壓器屬于同一相的高、低壓繞組全部纏繞在同一鐵心柱上,并非如圖1-1所示。只有繞組和鐵心的變壓器稱為干式變壓器。大容量變壓器的器身放在盛有絕緣油的油箱中,這樣的變

4、壓器稱為油浸式變壓器。 圖1- 11.3其他除了鐵心和繞組之外,因容量和冷卻方式的不同,還需要增加一些其他部件,例如外殼、油箱、絕緣套管等。2、變壓器的工作原理2.1電壓變換當(dāng)一次繞組加上交流電壓1u 時,繞組中通過交流電流1i ,在鐵心中將產(chǎn)生既與一次繞組交鏈,由于二次繞組交鏈的主磁通,還會產(chǎn)生少量的僅與一次繞組交鏈的主要經(jīng)過空氣等非磁性物質(zhì)閉合的一次繞組漏磁通1。dt d N e u =-=111 (2-1 dtd Ne u =-=222 (2-2k N N E E U U =212121 (2-3 說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,就能按要求改變電壓。2.2電流變換變壓器在工作時,二次電流

5、2I 的大小主要取決于負載阻抗模1Z 的大小,而一次電流1I 的大小則取決于2I 的大小。2211U I U I = 又 (2-4kII U U I 22121=(2-5 說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。小型變壓器的原理:小型單相變壓器一般是指工頻小容量單相變壓器。3、設(shè)計內(nèi)容計算內(nèi)容有四部分:額定容量的確定;鐵心尺寸的選定;繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑;繞組(線圈排列及鐵心尺寸的最后確定。3.1 額定容量的確定變壓器的容量又稱表現(xiàn)功率和視在功率,是指變壓器二次側(cè)輸出的功率,通常用KV A 表示。3.1.1 二次側(cè)總?cè)萘啃∪萘繂蜗嘧儔浩鞫蝹?cè)為多繞組時,若不計算各個繞組的等效的阻抗及其負載阻

6、抗的幅角的差別,可認(rèn)為輸出總視在功率為二次側(cè)各繞組輸出視在功率之代數(shù)和,即n n I U I U I U S +=33222 (3-1式中2S 二次側(cè)總?cè)萘?V ·A ;2U ,3U ,n U 二次側(cè)各個繞組電壓的有效值(V ;2I ,3I ,n I 二次側(cè)各個繞組的負載電流有效值(A 。 3.1.2一次繞組的容量對于小容量變壓器來說,我們不能就認(rèn)為一次繞組的容量等于二次繞組的總?cè)萘?因為考慮到變壓器中有損耗,所以一次繞組的容量應(yīng)該為21S S =(單位為V ·A (3-2式中1S -變壓器的額定容量;-變壓器的效率,約為0.80.9,表3-1 所給的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)時間的統(tǒng)計數(shù)

7、據(jù),可供計算時初步選用。 表3-1 小容量變壓器計算參考數(shù)據(jù)變壓器容量S1V ·A磁通密度m B ×104-T 效率(% 電流密度(2mm A j 鐵心計算中的K值小于10 600070006070 32.5 21050 70008000 7080 2.52 21.5 50100 80009000 8085 2.52 1.51.3 100500 900011000 8590 2.51.5 1.31.25 5001000 110001200090921.51.21.251.13.1.3變壓器的額定容量由于本次設(shè)計為小型單相變壓器,所以不考慮在三相變壓器中的情況,只考慮在小型單

8、相變壓器的情況。小型單相變壓器的額定容量取一、二繞組容量的平均值,(2121S S S +=(單位為V·A (3-33.1.4一次電流的確定112.11.1(U SI = (3-4式中(1.11.2考慮勵磁電流的經(jīng)驗系數(shù),對容量很小的變壓器應(yīng)取大的系數(shù)。3.2鐵心尺寸的選定3.2.1計算鐵心截面積A為了減小鐵損耗,變壓器的鐵心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶材料制成。其中套有繞組的部分稱為鐵心柱,連接鐵心柱的部分稱為鐵軛,為了減少磁路中不必要的氣隙,變壓器鐵心在疊裝時相臨兩層硅鋼片的接縫要相互錯開。小容量變壓器鐵心形式多采用殼式,中間心柱上套放繞組,鐵心的幾何尺寸如圖3-1所示。ca

9、bha2cb圖3- 2小容量心柱截面積A 大小與其視在功率有關(guān),一般用下列經(jīng)驗公式計算(單位為2cm 。S K A 0= (3-5A 鐵心柱的凈面積,單位為2cm ;0K 截面計算系數(shù),與變壓器額定容量n S 有關(guān),按表3-2選取,當(dāng)采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時0K 可取小些截面積計算系數(shù)0K表3-2 截面積計算系數(shù)0K 的估算值計算心柱截面積A 后,就可確定心柱的寬度和厚度c K ab ab A '= (3-6式中 a 心柱的寬度(mm ; b 心柱的凈疊厚(mm ; 'b 心柱的實際厚度(mm ;c K 疊片系數(shù),是考慮到鐵心疊片間的絕緣所占空間引起鐵心面積的減小所引入的。對于0.

10、5mm 厚,兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片,c K =0.93;對于0.35mm 厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片,c K =0.91;對于0.35mm 厚,不涂漆的冷軋鋼片,c K =0.95。按A 的值,確定a 和b 的大小,答案是很多的,一般取a b 0.22.1(=,并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-3列出了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表3-3小型變壓器通用的硅鋼片尺寸a c h 'A H 13 16 19 22 25 287.5 9 10.5 11 12.5 1422 24 30 33 37.5 4240 50 60 66 75 8434 40 50 55 62.5 70n S /VA

11、<10 1050 50100 100500>500 0K 21.75 1.751.5 1.51.35 1.351.25 1.251.032 38 44 50 58 6416 19 22 25 28 3248 57 66 75 84 9696 114 132 150 168 19280 95 110 125 140 1603.3繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑3.3.1 計算每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)從變壓器的電勢公式m fNB E 44.4=A,若頻率f=50Hz ,可得出每伏所需的匝數(shù)AB A fB E N N m m 380105.444.410= (3-7式中0N 對應(yīng)于每伏電壓的匝數(shù),單位:匝

12、/V m B 鐵心柱內(nèi)工作磁密最大值,單位:T A 鐵心柱截面積,單位:2cm當(dāng)鐵心材料國熱軋硅鋼片時,取m B =1.01.2T ;采用冷軋硅鋼片時,可取m B =1.21.5T 然后根據(jù)N 和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)101U N N = (3-8 20210.105.1(U N N = (3-9 30310.105.1(U N N = (3-10式中1N 、2N i N 為各線圈的匝數(shù)。為補償負載時漏阻抗壓降,副邊各線圈的匝數(shù)均增加了5%10%。3.3.2計算導(dǎo)線直徑d小型變壓器的線圈多采用漆包圓銅線(QZ 型或QQ 型繞制。為限制銅損耗及發(fā)熱,按各個繞組的負載電流,選擇導(dǎo)線截面,如

13、選的小,則電流密度大,可節(jié)省材料,但銅耗增加,溫升增高。小容量變壓器是自然冷卻的干式變壓器,容許電流密度較低,根據(jù)實踐經(jīng)驗,通過導(dǎo)線的電流密度J 不能過大,對于一般的空氣自然冷卻工作條件,J=23A/2mm 。 對于連續(xù)工作時可取J=2.5A /2mm導(dǎo)線的截面積:jI A c = 導(dǎo)線的直徑: mm jI j I d 2715.013.14=導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計算式中: d 原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑,單位:mm ; I 原、副邊各線圈中的工作電流,單位:A ;根據(jù)算出的直徑查電工手冊或表3-4選取相近的標(biāo)準(zhǔn)線徑。當(dāng)線圈電流大于10A 時,可采用多根導(dǎo)線并聯(lián)或選用扁銅線。表3-4 導(dǎo)線材料的

14、選取0.06 0.140.15 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 高強度聚酯漆包線 0.030.04 0.05 0.06 0.070.080.090.11 0.12 0.13 硅有機單玻璃絲包線 0.20 0.22 0.22 0.24硅有機雙玻璃絲包線 0.250.270.270.28 3.4 繞組(線圈排列及鐵心尺寸的最后確定。繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線的直徑確定后,可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為'42(9.0d h N C -=(3-11式中 d '絕緣導(dǎo)

15、線外徑(mm ;h 鐵心窗高(mm ;0.9考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù); (24考慮裕度系數(shù)。 各繞組所需層數(shù)為螺 線直 徑導(dǎo) 線 品 種c Nm N =(3-12各繞組厚度為(i i i i t m d '=+ (3-13i=1,2,n式中 層間絕緣厚度(mm ,導(dǎo)線較細(0.2mm 以下,用一層厚度為0.020.04mm 白玻璃紙,導(dǎo)線較粗(0.2mm 以上,用一層厚度為0.050.07mm 的電纜紙(或牛皮紙,更粗的導(dǎo)線,可用厚度為0.12mm 的青殼紙;繞組間的絕緣厚度(mm ,當(dāng)電壓不超過500V 時,可用23層電纜紙夾12層黃蠟布等。繞組總厚度為2.11.1(.(210+=

16、n t t t t t (3-14式中 0t 繞組框架的厚度(mm ;1.11.2考慮裕度的系數(shù)。計算所得的繞組總厚度t 必須略小于鐵心窗口寬度c ,若t>c ,可加大鐵心疊裝厚度,減小繞組匝數(shù)或重選硅鋼片的尺寸,按上述步驟重復(fù)計算和核算,至合適時為止。4、設(shè)計要求計算一臺36伏安,220/55伏特的電源變壓器,確定其主要數(shù)據(jù)。 解 1.設(shè)硅鋼片B=0.9特,則可求鐵芯截面積c A =26.9366.1cm = 2.每伏匝數(shù)0N =45/(C BA =45/(0.9×9.6=5.2匝/伏 一次側(cè)線圈匝數(shù)011N U N =220×5.2=1144匝/伏 二次側(cè)線圈匝數(shù)

17、022N U N =55×5.2=286匝/伏 考慮電壓損耗,二次側(cè)線圈增加5%匝數(shù),即取N 2=105%×286=300匝 3.求導(dǎo)線線徑 一次電流11U SI =36/220=0.164安培 二次電流22U SI =36/55=0.655安培小型單相變壓器的設(shè)計 5、結(jié)論 通過上面的設(shè)計可知： 一般的小容量單相變壓器的計算內(nèi)容有四種部分： 容量的確定； 鐵心尺寸的確定； 繞組的計算； 繞組排列及鐵心尺寸的最后確定。 變壓器的效率 80%90% 。 對小容量變壓器應(yīng)考慮內(nèi)部壓降，為使在額定負載時二次側(cè)有額定電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾佣?側(cè)繞組匝數(shù)，約增加 5%10%的匝數(shù)。通過銅

18、損的測定可知，小型變壓器的的質(zhì)量可以從 他的空載損耗和短路損耗判斷出來，越小越好，同時工作溫度也會低 ，并有很好的負載， 通過空載電流的測定，鐵損較大的變壓器，發(fā)熱量大，安培匝數(shù)設(shè)計要是不合理，空載電 流會大增，就會造成溫升增大，有損壽命。 11 小型單相變壓器的設(shè)計 6、課程設(shè)計體會 我們通過學(xué)習(xí)電機與拖動，對變壓器有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西。 通過這次小型單相變壓器的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的知識與實踐相結(jié)合。從而對我們學(xué) 的知識有了更進一步的理解，使我們進一步加深了對所學(xué)知識的記憶。 在此次的小型單相變壓器的設(shè)計過程中，我更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各 芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān) 資料來解決問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我們了解 了課程設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題，同時我們也掌握了做設(shè)計的基本流程，