1、小型單相變壓器設計1、小型單相變壓器簡介變壓器是通過電磁耦合關系傳遞電能的設備，用途可綜述為：經濟的輸 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。小型變壓器指的是容量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（構成磁路）和繞在鐵心上的兩個匝數不同、彼此絕緣的繞組（構成電路）構成。這類變壓器在生活中的應用非常廣泛。1.1 變壓器的基本結構1、1、1主要組成（1）鐵心為了減少鐵損耗，變壓器的貼心是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶體片 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

2、，鄉鄰兩層硅鋼片的接縫要相互錯開。（2）繞組變壓器的繞組用絕緣導線或扁導線繞成，實際變壓器的高，低壓繞組并 不是分裝在兩個鐵心柱上，而是同心地套在同一個鐵心柱上的。為了絕緣的 方便，通常低壓繞組在里面，靠近鐵心柱，高壓繞組套在低壓繞組外面。（3）其他除鐵心和繞組外，因容量和冷卻方式的不同，還需要增加一些其他部件， 例如外油絕緣套等等。1、1、2主要類型按相數的不同，變壓器可分為單向相變壓器和三相變壓器等。按每相繞組數量的不同，變壓器可分為雙繞組變壓器、三繞組變壓器、 多繞組變壓器和自耦變壓器等。按結構形式的不同，變壓器可分為心式和殼式兩種。心式變壓器的特點 是繞組包圍著鐵心。脆變壓器用鐵量較少

3、，構造簡單，繞組的安裝和絕緣比 較容易，多用于容量較大的變壓器中。殼式變壓器的特點是鐵心包圍繞組。 脆變壓器用銅量少，多用于小容量變壓器中。2、變壓器的工作原理變壓器的功能主要有：電壓變換；阻抗變換；隔離；穩壓（磁飽和變壓器）等，變壓器常用的鐵心形狀一般有 E型和C型鐵心。變壓器（transformer ）是利用電磁感應原理將某一電壓的交流換成頻率 相同的另一電壓的交流電的能量的變換裝備。變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組， 如圖（1）所示。 一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負載，稱為副繞 組（二次繞組、次級）。原繞組各量用下標1表示，副繞組各量用下標2表示

4、。 原繞組匝數為Ni，副繞組匝數為N2。圖（1）變壓器結構示意圖理想狀況如下（不計電阻、鐵耗和漏磁），原繞組加電壓ui，產生電流h， 建立磁通，沿鐵心閉合，分別在原副繞組中感應電動勢 巴和e2。當變壓器二次側空載時，一次側僅流過主磁通的電流（i0）,這個電流稱為激磁電流。當二次側加負載流過負載電流12時，也在鐵芯中產生磁通，力圖改變主磁通，但一次電壓不變時，主磁通是不變的，一次側就要流過兩部 分電流，一部分為激磁電流 1 0, 部分為用來平衡2,所以這部分電流隨著 12變化而變化。當電流乘以匝數時，就是磁勢。上述的平衡作用實質上是磁勢平衡作用，變壓器就是通過磁勢平衡 作用實現了一、二次側的能量

5、傳遞。2、1電壓變換當一次繞組兩端加上交流電壓ui時，繞組過交流電流h，在鐵心中將產生 既與一次繞組交鏈，又與二次繞組交鏈的主磁通。(1-1)dt(1-2)(1-3)(1-4)說明只要改變原、副繞組的匝數比，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12的大小主要取決于負載阻抗模|乙|的大小，而一次電流 11的大小則取決于12的大小。(1-5)又 U1I1 U2I2IlU2I(1-6)I 2 Ui說明變壓器在改變電壓的同時，亦能改變電流。2.3阻抗變換變壓器的二次繞組接有阻抗模|Zl|的負載時，若忽略乙，Z2和丨0,貝S|Z l| = U2/I 2 = U/ (K 2*I 1)

6、U與I 1之比相當于從變壓器一次繞組看進去的等效電阻模 |Ze|=k 2|Z1|可見，當負載直接接電源時，電源的負載阻抗模為|Zl|，通過變壓器接電 源時，相當于將組抗模增加到|Zl|的k2倍，在電子技術中經常利用變壓器的這 一阻抗變換作用來實現“組抗匹配”2、4電壓比N1一次側繞組的匝數；N2二次側繞組的匝數。5可 M .u2 e2 n2 血當N1N2時，Kul，此時U1 U2.這時的變壓器稱為降壓變壓器當N1v N2時，Ku V 1,此時U1v U2,這時的變壓器稱為升壓變壓器3、設計容計算容有四部分：額定容量的確定；鐵心尺寸的選定；繞組的匝數與導線直徑；繞組(線圈)排列及鐵心尺寸的最后確

7、定。3、1額定容量的確定變壓器的容量又稱表現功率和視在功率，是指變壓器二次側輸出的功率, 通常用KVA表示。3、1、1 一次繞組的容量對于小容量變壓器來說，我們不能就認為一次繞組的容量等于二次繞組 的總容量，因為考慮到變壓器中有損耗，所以一次繞組的容量應該為S2S1=(單位為Va( 3-2)式中S變壓器的額定容量；變壓器的效率，約為0.80.9，表3-1所給的數據是生產時間的統計數據，可供計算時初步選用。表3-1小容量變壓器計算參考數據變壓器容量SvA磁通密度Bm/ X 10 4T效率n( %電流密度j/(A mm2)鐵心計算中的K0值小于106000700060 703 2.5210 507

8、000800070 802.5 22 1.550 1008000900080 852.5 21.5 1.3100 500900085 902.5 1.51.3 1.2511000500 100011000 90 921.5 1.21.25 1.1120003、1、2二次側總容量小容量單相變壓器二次側為多繞組時，若不計算各個繞組的等效的阻抗及其負載阻抗的幅角的差別，可認為輸出總視在功率為二次側各繞組輸出視在功率之代數和，即S2 U 2 I 2 U 3 I 3 U n I n（3-1 ）式中S2 二次側總容量（V A）U 2, U 3,U n二次側各個繞組電壓的有效值（V ；I2, I3,In 二

9、次側各個繞組的負載電流有效值（A）。3、1、3確定變壓器的額定容量變壓器的二次容量為勺=Uih + 5九+ U人式中S2 變壓器二次容量，VAU2、U3Un二次各繞組電壓有效值，v;12、13、In 二次仍各繞組電流有效值.A。變壓器在傳遞功率過程中，本身存在著鐵損和銅損，故一次容量比二次容量大。式中n變壓器的效率。n 總是小于1,變壓器的容量越小，n也越小，v的數值見表1:表1:小容量變壓器效率值二冼容量小于1010-30(VA(VA)SO-MOVAji(VAJ000 u.t0 60.7O.fi0850用0 曲變壓器的額定容量:巳25- 23、2鐵心尺寸的選定3、2、1計算鐵心截面積A為了減

10、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（4）所示。4111 : 1 1, 111 !1 Irm圖（4）小容量心柱截面積A大小與其視在功率有關，一般用下列經驗公式計算（單位為cm 2）。A K o S（3-5）a鐵心柱的凈面積，單位為cmKo截面計算系數，與變壓器額定容量Sn有關，按表3-2選取，當采 用優質冷軋硅鋼片時Ko可取小些截面積計算系數 Ko表3-2截面

11、積計算系數K o的估算值Sn /VAv 10105050 100100 500 500K02 1.751.75 1.51.5 1.351.35 1.251.25 1.0計算心柱截面積A后，就可確定心柱的寬度和厚度，根據圖 3可知(3-6)A ab abKc式中 a心柱的寬度（mr）；b心柱的凈疊厚（mr）； b心柱的實際厚度（mr）；Kc疊片系數，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0.5mm厚，兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，Kc=0.93 ； 對于0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片， Kc =0.91 ;對于0.35mm厚，不 涂漆的冷軋鋼片，Kc=0.95。按A

12、的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取 b=（1.22.0）a，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表3-3小型變壓器通用的硅鋼片尺寸achAH137.52240341692450401910.530605022113366552512.537.57562.528144284703216489680381957114954422661321105025751501255828841681406432961921603、3繞組的匝數與導線直徑.3、3、1計算每個繞組的匝數設Ni表示變壓器每感應1V電動勢所需繞的匝數，即N =理=1 4.44九A關于Bm直，不

13、同的硅鋼片是不一樣的，當變壓器容量在 100vA以下, 通常冷軋硅鋼片 DW2435、DW2635的Bm取 1.0 1.2T;當變壓器容量為 100 一 1000VA時，Bm可取1.2 1.5T。當變壓器容量在100vA以下，熱軋硅 鋼片 DR320-35 DR280-35 DR360-50 DR315-50的 Bm取 0.8 1.0T ;當變壓 器容量為 100 1000VA時，Bm取 1.0 一 1.2T。如果不知道硅鋼片的牌號，按經驗可以將硅鋼片扭一扭，如硅鋼片 薄而脆，則磁性能較好（俗稱高硅），Bm可取得大些；若硅鋼片厚而軟，則磁 性能較差（俗稱低硅），Bm直可取得小些。一般 Bm可取

14、在0.7 1.0T之間。設計時二次側的繞組應增加5%的匝數，以便補償負載時的電壓降。3、3、2計算導線直徑d小型變壓器的線圈多采用漆包圓銅線（QZ型或QC型）繞制。為限制銅損耗 及發熱，按各個繞組的負載電流，選擇導線截面，如選的小，貝S電流密度大， 可節省材料，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，根據實踐經驗，通過導線的電流密度J不能過大，對于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=2 3A/mr1。對于連續工作時可取 J=2.5A/mm導線的截面積：A=l/j.d 卜 k 1.13 必mm導線的直徑：門 =0.715 1導線直徑可根據工作電流計算，式中：d

15、原、副邊各線圈導線直徑，單位：mmI 原、副邊各線圈中的工作電流, 單位：A;根據算出的直徑查電工手冊或表 3-4選取相近的標準線徑。當線圈電流大于 10A時，可采用多根導線并聯或選用扁銅線。表3-4導線材料的選取 螺 線 導、直 線、徑 品、種0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.10.10.20.30.40.60.70.91.72.02.44139226424高強度聚酯漆0.00.00.00.00.00.00.00.10.10.1包線3456789123硅有機單玻璃0.20.20.20.2絲包線0224硅有機雙玻璃0.20.20.20.2絲包線57783

16、、4繞組及鐵心尺寸的最后確定。繞組的匝數和導線的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數為0.9h （24） Nc d式中 d 絕緣導線外徑（mm；h鐵心窗高（mr）(3-11)0.9 考慮繞組框架兩端厚度的系數;（24） 考慮裕度系數。各繞組所需層數為Nm 一Nc(3-12)各繞組厚度為ti mi (dii)i=1,2,n(3-13)式中一一層間絕緣厚度（mm,導線較細（0.2mm以下），用一層厚度為0.020.04mm白玻璃紙，導線較粗（0.2mm以上），用一層厚度為0.050.07mm的電纜紙（或牛皮紙），更粗的導線，可用厚度為0.12m m的青殼紙；繞組間的絕緣厚度（mm,當電壓不超過5

17、00V時，可用23層電纜紙夾12層黃蠟布等。繞組總厚度為t (t 右 t?t n) (1.1 1.2)( 3-14)式中t繞組框架的厚度(mr)；1.11.2 考慮裕度的系數。計算所得的繞組總厚度t必須略小于鐵心窗口寬度 c,若tc,可加大鐵 心疊裝厚度，減小繞組匝數或重選硅鋼片的尺寸，按上述步驟重復計算和核 算，至合適時為止。4、實例計算2U2U3U如上圖所示，取Ui 220V U230VU350V I20.2A13.1A計算變壓器的主要參數，并選擇可行的材料解：1、計算變壓器的額定容量 SN1)計算副邊的容量：S2=U22 + U3l3=300*0.2+50*0.1=65( V-A)2)計

18、算原邊的容量：S色/ n根據表1 ：小型單相變壓器的效率 n的估算值可以取n =0.82因此，Si S2/ n =65/0.82=79.3( V-A)3)計算變壓器的額定容量75V-ASn=i/2( S S2)=0.5* (65+79.3 ) =72.2( V-A)考慮到存在著一定的損耗，故可以定變壓器的額定容量近似取2、鐵心尺寸的選定1)計算鐵心截面積AA=kO Sn根據表2.截面積計算系數K0的估算值可以取K0=1.40因此，A=k0 Sn =1.40 75=12.1 (cm22)鐵心中柱寬度a與鐵心疊厚b的計算 根據表3.參數a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=11

19、0*12.1/28=47.5 mm.此時b/a=47.5/28=1.7 滿足b=(1.22)a的通常要求3、計算繞組線圈匝數1 )求出每伏電壓應繞的匝數N 103450000NAE 4.44fBmABm =3.4 (匝N)式中的Bm=1.1T (鐵心材料國熱軋硅鋼片)2)根據N0和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數Ni = Nu 仁3.4*220=748n2= (1.051.10 ) No n3= (1.051.10 ) N0 4、計算導線直徑d導線的截面積：Ac=l/j.SIl(1.1 1.2) UiAc1=0.415/2.5=0.17 mm2=0.715 丨=0.46 mm同理：Ac2=0.0

20、8 mm2 d2=0.32 mmQZ0.06畐炮Ac3=0.04 mm2d3=0.23 mm根據所求解的數據：可以取原邊的材料為高強度聚酯包線的材料為高強度聚酯包線QZ0.05五、結論通過上面的設計可知：一般的小容量單相變壓器的計算容有四種部分： 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%。對小容量變壓器應考慮部壓降，為使在額定負 載時二次側有額定電壓應適當的增加二次側繞組匝數，約增加5%10的匝數。通過銅損的測定可知，小型變壓器的的質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

21、，鐵損較大的變壓器，發熱量大，安培匝數設計要是不合理， 空載電流會大增，就會造成溫升增大，有損壽命。單相變壓器是具有兩個線圈的變壓結構：變壓器主要是由鐵心和繞組組成：1鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵心分鐵心柱和鐵軌兩不分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是聯系兩個貼心柱的部分文檔2變壓器繞組構成設備的部電路，它與外界的電網直接相接，是變壓器中 最重要的部件，常把繞組比做變壓器的核心。六、心得體會這次課程設計是我第一次做課程設計，通過這次設計，我感覺到這不僅 是對前面所學知識的一種檢驗，更是對自己實踐動手能力的一種提高。通過 課程設計我有了一些自己的理解，在這里我要對整個課程設計的過程做一下 簡單的總結。選題是畢業設計的開端，更是對自己學習東西檢驗的一個見證，同學們 都會根據自己掌握的比較好的知識段去選擇恰當的、感興趣的題目，這對于 整個課程設計是否能夠順利進行并且獲得好成績關系極大。這開始的第一步 是具有