单项变压器的设计说明

1. 变压器的工作原理

变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换等，变压器常用的铁心形状一般有E型和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）。当交流变压器U

1

加到一次侧绕组，同时也穿过二次侧绕组，它分别在两个绕组中产生感应

电动势。这时如果二次侧与外电路的负载接通，便有交流I

2流出，负载端电压即为U

2

。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N

1，副绕组匝数为N

1

。

图（1）变压器结构示意图

图（2）变压器简化电路图1.1电压变换

当一次绕组两端加上交流电压U

1时，绕组中通过交流电流I

1

，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Φ，主磁通在一次绕组中产生感应电动势e1。u1、i1、e1等的参考方向的设定与交流铁心线圈电路相同。

E1=-j4.44N1fΦ（1-1）

dt d 1

11N -e u Φ

== （1-2）

dt

d 222N

e u Φ

=-= （1-3） 变压器一、二次绕组的电动势之比称为变压器的电压比，K 为变比。

K N N E E U U 2

1

2121=== （1-4）

K

U U 1

2= （1-5）

说明只要改变原、副绕组的匝数比,也就是改变N1、N2，就能按要求改变电压。

1.2电流变换

变压器在工作时，二次电流I 2的大小主要取决于负载阻抗模|Z 1|的大小，而一次电流I 1的大小则取决于I 2的大小。

又因 2211I U I U = （1-6）

所以 21

2

1I I U U =

（1-7） 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。

2．变压器的基本结构

2.1变压器结构

a)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。

（a）奇数层

（b）偶数层

b)绕组：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。

c)其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱，铁柱；铁轭；高压线圈；低压线圈

2.2主要类型

按相数的不同变压器可分为单相变压器和三相变压器等。

按每相绕组的数量不同，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。此类变压器用铁量较少，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。此类变压器用铜量少，多用于小容量变压器中。

按用途的不同，变压器可分为电力变压器、电炉变压器、整流变压器、仪用变压器等。

按冷却方式的不同，变压器可分为干式变压器，油浸式变压器

2.3额定值

变压器上的铭牌的标注，就是这台变压器的额定值，额定值的作用是说明变压器的工作能力和工作条件。运行值不可超过额定值，否则会造成仪器的损坏。

变压器的额定值有如下几种：

1额定电压U1N/U2N

如果是单相变压器，其额定电压是指变压器在空载运行时高、低压绕组电压的额定值。

2额定电流I1N/I2N

单相变压器的额定电流是指变压器在满载运行时高低压绕组的电流值

3额定容量S N

额定容量简称容量，是指变压器视在功率的额定值。

单相变压器中

S N=U2N I2N=U1N I1N（2-1）4额定频率f N

我国规定的工业标准频率f N=50HZ

3. 设计内容

设计内容分为如下部分：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：

I U I

U I U S n

n +++= (3)

3

2

2

2

（3-1）

式中 S 2 表示二次侧总容量。

U 2、U 3……U N 表示二次侧各个绕组电压的有效值（V ）； I 2、I 3……I N 表示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

η

2

1S S =

（3-2）

式中分母表示变压器的效率，约为0.8～0.9。

3.1.3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。

S=2

1

×（S 1+S 2） （3-3）

3.1.4一次电流的确定

11)

2.1~1.1(U S

I = （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。

A ——铁心柱的净面积，单位为cm 2

K 0——截面计算系数，与变压器额定容量S n 有关，按表3-1选取，当采用优质冷轧硅钢片时K 0可取小些截面积计算系数K 0。

表3-1 截面积计算系数K 0的估算值

A=ab=ab ；k c （3-5）

式中 a ——铁心柱的宽度（mm ）；

b ——铁心柱的净叠厚（mm ）； b ；

——铁心柱的实际厚度（mm ）；

按A 的值，确定a 和b 的大小，答案是很多的，一般取b=(1.2~2.0)a ，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。表3-2列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。

表3-2 小型变压器通用的硅钢片尺寸

a c h A ， H 13 16 19 22 25 28 32 38 44 50 58 64

7.5 9 10.5 11 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 96 114 132 150 168 192

34 40 50 55 62.5 70 80 95 110 125 140 160

本设计的铁心采用硅钢片，也可用如下经验公式：

A=S

N

75

.1 （3-6）

3.3绕组的匝数与导线直径

3.3.0 计算主磁通

Φm=ABm （3-7）

3.3.1计算每伏电压应绕的匝数