小型变压器的原理

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1、辽宁工程技术大学课程设计1 引言 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。管小春：小型单相变压器的设计2 一、 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；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，变压 器常用的铁心形状一般有E型和 C型铁心。 变压器（ tr

2、ansformer ）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）。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1N， 副绕组匝数为2N。图（1）变压器结构示意图理想状况如下 （不计电阻、 铁耗和漏磁），原绕组加电压1u，产生电流1i，建立磁通，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势21ee 和。 （1） 电压变换当一次绕组两端加上交流电压1u时，绕组中通过交流电流1i，在

3、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。（1-1）（1-2）（）（1-3）（1-4）说明只要改变原、副绕组的匝数比, 就能按要求改变电压。 （2） 电流变换变压器在工作时， 二次电流2I的大小主要取决于负载阻抗模|1Z| 的大小，而一次电流1I的大小则取决于2I的大小。2211IUIU又（1-5）辽宁工程技术大学课程设计3 KII UUI22121 （1-6）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。二、 变压器的基本结构1、 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

4、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。 铁心结构有两种基本形式：心式和壳式。 2、 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。图（2） 3、 其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。图（3）单相心式变压器 1铁柱； 2铁轭； 3高压线圈； 4低压线圈三、 设计内容管小春：小型单相变压器的设计4 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）

5、排列及铁心尺寸的最后确定。 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。 （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IUIUIUSnn.33222（3-1）式中S2二次侧总容量（ VA）U2,U3, Un二次侧各个绕组电压的有效值（V） ；I2,I3, In 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A） 。(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

6、器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为S1=2S（单位为 VA）（3-2）式中S1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S1VA 磁通密 度mB104T 效率 （% ）电 流密 度)(2mmAj铁心计算中的K0值小于 10 60007000 6070 32.5 2 1050 70008000 7080 2.52 21.5 50100 80009000 8085 2.52 1.51.3 100500 900011000 8590 2.51.5 1.31.25 500

7、1000 1100012000 9092 1.51.2 1.251.1 (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，辽宁工程技术大学课程设计5 S= 21*（S1+S2） （单位为 V A）（3-3）(4) 一次电流的确定11)2.11.1( USI （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。 2、 铁心尺寸的选定 (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

8、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（4） 所示。图（4） 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2） 。SAK0（3-5）A铁心柱的净面积，单位为cm2K0截面计算系数， 与变压器额定容量Sn有关，按表 3-2 选取，当采用优质冷轧硅钢片时K0可取小些截面积计算系数K0表 3-2截面积计算系数K0的估算值Sn/VA 10 1050 50 100 100 500 500 管小春：小型单相变压器的设计6

9、计 算 心柱 截 面 积A后，就可 确定心柱的宽度和厚度，根据图3 可知KcababA（3-6）式中a心柱的宽度（ mm ） ；b心柱的净叠厚（ mm ） ；b心柱的实际厚度（ mm ） ；Kc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，Kc=0.93；对于 0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.91 ；对于 0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc=0.95。按 A 的值，确定 a 和 b 的大小，答案是很多的，一般取b=(1.22.0)a ，, 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

10、钢片尺寸。 表 3-3 小型变压器通用的硅钢片尺寸 a c h AH 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 19234 40 50 55 62.5 70 80 95 110 125 140 160 3、 绕组的匝数与导线直径(1) 计算每伏电压应绕的匝数从变压器的电势公式E=4.44fNBm A,若频率 f=50Hz, 可得出每伏所需

11、的匝数AAfENBBN mm380105.444.410（3-7）式中0N对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V Bm铁心柱内工作磁密最大值，单位：T A铁心柱截面积，单位：cm2当铁心材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.01.2T ；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.21.5T K02 1.75 1.75 1.5 1.5 1.35 1.35 1.25 1.25 1.0 辽宁工程技术大学课程设计7 然后根据 N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数UNN101（3-8）202)10.105.1(UNN（3-9）UNN303)10.105.1(（3-10）式中 N1、N2Nn各线圈的匝数。 为补偿负载时漏阻抗压

12、降，副边各线圈的匝数均增加了5%10%。 （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。为限制铜损耗及发热，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=23A/mm2。对于连续工作时可取J=2.5A/mm2 导线的截面积： Ac=I/j. 导线的直径：mm jIjId13.14=0.715I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

13、 ； 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 0.06 0.14 0.15 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 高强度聚酯漆包线0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13 硅有机单玻璃丝包 线0.20 0.22 0.22 0.24 硅有机双玻璃丝包 线0.25 0.2

14、7 0.27 0.28 4、 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定。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)42(9.0dhNc（3-11）式中d绝缘导线外径（ mm ） ；螺 线 直 径导 线 品 种管小春：小型单相变压器的设计8 h铁心窗高（ mm ） ； 0.9 考虑绕组框架两端厚度的系数； （24）考虑裕度系数。 各绕组所需层数为cN m N（3-12）各绕组厚度为()iiiitmd（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 0.020.04mm 白玻璃纸，导线较粗（ 0.2mm以上） ，用一层厚度为0

15、.050.07mm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 23 层电缆纸夹12 层黄蜡布等。 绕组总厚度为)2.11.1().(210ttttnt（3-14）式中t0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 tc, 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。五、 结论 在本次的课程设计也是以电机与拖动我们的教材为主线，我们基本能按照设计任 务书、指导书、技术条件的要求进行。 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辽宁工程技术大学课程设计9 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