小型单相变压器设计课件

辽宁工程技术大学

《电机学》课程设计

设计题目：小型单相变压器设计院（系、部）：电气与控制工程学院专业班级：电力11-3班

姓名：井元灏

学号：1111110305

指导教师：刘春喜王继强李国华荣德生日期：2013-6-28

电气工程系课程设计标准评分模板

摘要

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电变压器原理图流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。

本文主要分析变压器的工作原理，基本构造，特点等问题，主要介绍变压器的设计。

目录

一、变压器的基本工作原

理 (8)

二、变压器的部分结构及组

装： (8)

1.铁心 (8)

2.绕组 (6)

三、主要部分参数计

算 (10)

1.容量的确定 (10)

2.铁心尺寸的选定 (11)

3.绕组的计算 (13)

4.绕组排列 (14)

四、例

题 (16)

五、结论 (14)

参考文献 (20)

一、变压器的基本工作原理

变压器是利用电磁感应原理工作的，如下图。变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。这两个绕组具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中，接于电源侧的绕组称为一次绕组;用于接负载的绕组称为二侧绕组。

若将绕组1接到交流电源上，绕组中便有交流电流i1流过，在铁心中产生与外加电压相同频率的且与一、二次绕组同时交链的交变磁通φ，根据电磁感应原理，分别在两个绕组中感应出同频率的电动势e1和e2。e1=—N1 e2=—N2 式1中，N1为一次绕组匝数；N2为二次绕组匝数。

若把负载接于绕组2，在电动势e2的作用下，就能向负载输出电能，即电流将流过负载，实现了电能的传递。

由式1可知，一、二次绕组感应电动势的大小正与各自绕组的匝数，而绕组的感应电动势又近似等于各自的电压，因此，只要改变绕组的匝数比，就能达到改变电压的目的，这就是变压器的变压原理

二、变压器的部分结构及组装：

1.铁心

铁心是变压器中主要的磁路部分。通常由含硅量较高，厚度为 0.35 或 0.5 mm，表面涂有绝缘漆的热轧或冷轧硅钢叠装而成

铁心分为铁心柱和铁轭俩部分，铁心柱套有绕组；铁轭闭合磁路之用

铁心结构的基本形式有心式和壳式两种

心式变压器结构示意图

2.绕组

绕组是变压器的电路部分，

它是用纸包的绝缘扁线或圆线绕成

变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压ú1时，流过电流í1，在铁芯中就产生交变磁通?1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势é1，é2，感应电势公式为：E=4.44fN?m

式中：E--感应电势有效值

f--频率

N--匝数

?m--主磁通最大值

由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压ú1和ú2大小也就不同。

当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（í0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流í2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í0，一部分为用来平衡í2，所以这部分电流随着í2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。

三、主要部分参数计算

1.容量的确定

1、二次侧总容量

小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计各绕组等效阻抗及负载阻抗的幅角之差别。可以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 +???++=33222

（1.3—1）

式中 U 2，U 3，···,U n ————二次侧各绕组电压的有效值（V ）; I 2,I

3,···,I n -------------二次侧各绕组的负载电流有效值（A ）;

设计计算：二次侧容量为23.5W 。

2、一次侧绕组的容量 对于小容量变压器，不能认为绕组的容量等于二次侧绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次侧绕组的容量应为：

ηS

S 2

1

=

（单位为V·A） (1.3---2)

式中 η----变压器的效率，约为0.8到0.9， 设计计算：一次侧绕组容量为29.4W ，其中效率取80%。 参看表A-1所给的数据是生产实践的统计数据。

3、变压器的额定容量

变压器的额定容量取一、二次绕组容量的平均值，即

)(21

21S S S +=

（单位为V·A） (1.3----3)

设计计算：额定容量为26.44V·A

4、一次电流的确定

I=(1.1——1.2)U S

1 (1.3----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。设计计算得：

(

1

=I

1.1---1.2）U S

1=0.14

2.铁心尺寸的选定

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A-2所示。

图A-2 小型变压器硅钢片尺寸

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

m

c 2

）

S

A K 0= (1.3----5)

式中 k 0——经验系数，可参考表A-2选用。

计算心柱截面积后，就可确定心柱的宽度和厚度，根据图A-2可知

k b a ab A 0

'== （1.3——6）

式中 a ——心柱的宽度（cm ）; b ——心柱净叠厚（cm ）; b '——心柱的实际厚度（cm ）;

c k ——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少所引起的。对于0.5mm 厚、两面涂漆的热轧硅钢片，c k =0.93; 对于0.35mm 厚、两面涂漆的冷轧硅钢片，c k =0.91；对于0.35mm 厚、两面涂漆的冷轧硅钢片，

c k =0.92；对于0.35mm 厚、不涂漆的冷轧硅钢片，c k =0.95。

按A 的值，确定a 和b 的大小，答案是很多的，一般取a b

=1.2----2,并尽可能选用的硅钢片尺寸。表A-2列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。 表A-2 小型变压器通用的硅钢片尺寸

计算铁心截面

S K A 0==10.28 m ㎡ 式中，0K 按表A-1取2.

a=2.1A

=29.3cm

按表A-1选用a=32mm 的硅钢片，则 b '

=

=

a K A c 40.3mm

取b '=48mm ，硅钢片尺寸，a b

=1.31。由表A-2查得

C=14mm h=42mm A=84mm H=70mm

3.绕组的计算

绕组的计算内容为确定各绕组匝数与导线直径及选择导线。 计算每伏匝数

从变压器的电动势公式E=4.44fN φ=4.44fN m B A;若频率f=50Hz,可得出每伏的匝数

N 0=E N

=A

f B m 44.4108

=

A

B

m

10

5

5.4? （A-7）

式中 B m ---心柱的磁通密度最大值，单位是特斯拉。对于普通的热轧钢片可

参考表A-1选用。

每伏匝数 N 0=E N

=A

f B m 44.4108

=5 根据每伏匝数计算各绕组匝数

一次绕组 N 1=U N 10=

二次绕组 =

N 2（1.05——1.10）U N 20 =

N 3（1.05——1.10）U N 30 ﹒ ﹒ ﹒

设计计算： 各绕组匝数

N 1=U N 10=1100

=

N 2 1.05U N 20=56

=

N 3 1.05U N 30=405

对于小容量变压器，应考虑其内部阻抗压降，为使在额定负载时二次侧有额定电压，适当地增加二次侧绕组的匝数，约增加5%---10%的匝数。 计算绕组的导线直径d 及选择导线 导线截面积 j I

A =

0（单位为m ㎡） (A-9)

导线直径

j I j I d 13.14

==

π

（单位为m ㎡） (A-10)

按各绕组的负载电流，选择导线截面，如选得小，则电流密度大，可节省材

料，但铜耗增加，温度增高。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，一般选用j=2---3A/m ㎡，短时工作变压器取j=4---5A/m ㎡.按计算所得导线截面积和直径，查表A-3。选取相近截面的导线直径d ，再由表A-4查得带绝缘的线径d '.

表A-4 圆截面漆包线漆膜厚度 不带绝缘的线径分别为0.25 mm 、0.21 mm 、0.31 mm 。 带绝缘的线径分别为0.30 mm 、0.25 mm 、0.36 mm 。

4.绕组排列

绕组的匝数和导线直径确定之后，可作绕组排列。绕组每层匝数为

()[]

d h N c '-=

4~29.0 (A-11)

式中 d '----绝缘导线外径（㎜）；

h '----铁心窗高（㎜）；

0.9---考虑绕组框架两端厚度的系数； 4~2---考虑裕度的系数。 各绕组所需层数为

N

c

N

m =

(A-12)

各绕组厚度为

()

δi i d m t i

i

+'=+γ (A-13)

式中

δ

i

----层间绝缘厚度（㎜），导线较细（0.2㎜以下），用一层厚度为

04.0~02.0㎜白玻璃纸，导线较粗（0.2㎜以上），用一层厚度为07.0~05.0㎜的

电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线，可用厚度为0.12㎜的青壳纸；

γ----绕组的绝缘厚度（㎜），当电压不超过500V 时，可用层黄蜡布等。

绕组间的绝缘度为

()()

2.1~1.1210?+????+++=t t t t n t (A-14)

式中 t 0-----绕组框架的厚度（㎜）； 2.1~1.1------考虑的考虑裕度的系数。

()δ000

+'=d m t +γ

()δ11

1

+'=

d m t i +γ

()δ222

+'=

d m t +γ

()

δ33

3

+'=

d m t

+γ

绕组的总厚度

()()

2.1~1.1210?+????+++=t t t t n t

计算所得的绕组总厚度t 必须略小于铁心窗口宽度，若，可加大铁心叠装厚度，减少绕组匝数或重选钢片尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。