小型单向变压器的设计-最新整理版

作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用，在国民经济的其他部门，作为特种电源或满足特殊的需要，变压器也发挥着重要的作用。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安；电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。如果按变压器的用途来分类，几种应用最广泛的变压器为：电力变压器、仪用互感器和其他特殊用途的变压器；如果按相数可以分为单相和三相变压器。不管如何进行分类，其工作原理及性能都是一样的。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、变压器的结构

1.1铁心

    为了减少铁损耗，变压器的铁心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或用非晶材料制成。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邻两层硅钢片要相互错开。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。铁心结构有两种基本形式：心式和壳式。

1.2绕组

    变压器的绕组用绝缘圆导线绕成，是构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。高压绕组电压高，绝缘要求高，如果高压绕组在内，离变压器铁心近，则应加强绝缘，提高了变压器的成本造价。因此，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁心，高压绕组则套装在低压绕组的外面。两个绕组之间留有油道，既可以起绝缘作用，又可以使油把热量带走。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别缠绕在两个铁心柱上，两部分既可以串联又可以并联。三相变压器属于同一相的高、低压绕组全部缠绕在同一铁心柱上，并非如图1-1所示。只有绕组和铁心的变压器称为干式变压器。大容量变压器的器身放在盛有绝缘油的油箱中，这样的变压器称为油浸式变压器。

图1- 1

1.3其他

除了铁心和绕组之外，因容量和冷却方式的不同，还需要增加一些其他部件，例如外壳、油箱、绝缘套管等。

2、变压器的工作原理

2.1电压变换

当一次绕组加上交流电压时，绕组中通过交流电流，在铁心中将产生既与一次绕组交链，由于二次绕组交链的主磁通，还会产生少量的仅与一次绕组交链的主要经过空气等非磁性物质闭合的一次绕组漏磁通。

                            (2-1)

                           (2-2)

                           (2-3)

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。

                            (2-4)

                            (2-5)

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。

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 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（V·A）；, ,……——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）。

3.1.2一次绕组的容量

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

                （单位为V·A）                  (3-2)

式中--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

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，                

                  （单位为V·A）                (3-3)             

3.1.4一次电流的确定

                                         (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。

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3-1所示。

图3- 2

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；——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

计算心柱截面积A后，就可确定心柱的宽度和厚度

                                      （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,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

3.3.1 计算每伏电压应绕的匝数

从变压器的电势公式A,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数

                               （3-7）

式中——对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V

    ——铁心柱内工作磁密最大值，单位：T

    ——铁心柱截面积，单位： 

当铁心材料国热轧硅钢片时，取=1.0~1.2T；采用冷轧硅钢片时，可取=1.2~1.5T     

然后根据N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数

                                     （3-8）

                         （3-9）

                           (3-10)

式中、……为各线圈的匝数。

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%。

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=2—3A/。

对于连续工作时可取J=2.5/

导线的截面积： 

导线的直径： 

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

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；

（2～4）——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0.02～0.04mm白玻璃纸，导线较粗（0.2mm以上），用一层厚度为0.05～0.07mm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2～3层电缆纸夹1～2层黄蜡布等。

绕组总厚度为

          （3-14）

式中  ——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、设计要求

计算一台36伏安，220/55伏特的电源变压器，确定其主要数据。

解 1.设硅钢片B=0.9特，则可求铁芯截面积

   2.每伏匝数=45/()=45/(0.9×9.6)=5.2匝/伏

     一次侧线圈匝数=220×5.2=1144匝/伏

     二次侧线圈匝数=55×5.2=286匝/伏

     考虑电压损耗，二次侧线圈增加5%匝数，即取

 N2’=105%×286=300匝

   3.求导线线径

     一次电流=36/220=0.1安培

     二次电流=36/55=0.655安培

5、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。

6、课程设计体会

我们通过学习电机与拖动，对变压器有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次小型单相变压器的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。

在此次的小型单相变压器的设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想中的每一个环节，设计中各个部分的功能是如何实现的。各个部分能够完成什么样的功能，使用材料时应该注意那些要点。同一个部分可以用哪些材料实现，各种材料实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。

 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

    在此，我要特别感谢我的授课教师王继强老师。在他尽心尽责的讲解和辅导下使得我能够在规定的时间内顺利的完成了此次的设计任务，并让我学习到了许多别与书本的知识；同时，我还要感谢与我同组的其他同学，在我们的共同努力和互相帮助下按时完成了此次课程设计。由于能力有限加上所查书籍并非面面具到，因此，本次设计中必定存在缺点和不足，希望老师批评指正！