电机课程设计三维LF.docx

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电机课程设计三维LF

电机设计课程设计指导书

中原工学院信息商务学院

一、概述…………………………………………………1

二、要求和注意事项……………………………………1

三、设计内容……………………………………………2

附录参考设计方案……………………………………28

参考文献………………………………………………30

一概述

本课程设计是电气工程其及自动化专业教学计划中一个重要的教学实践环节，通过本课程设计不仅使学生了解工程设计的一般过程和技巧，同时可以使学生进一步加深对变压器的基本结构、原理的理解，对结构尺寸、电气参数与性能指标之间的关系有进一步的认识，并使学生在工程设计、综合分析能力等方面得到全面锻炼。

本课程设计的先修课程为《电路》、《电机学》、《电机设计》等基础及专业课。

二要求及注意事项

一、课程设计组织形式

课程设计过程按分组的方式进行，由指导教师向学生发放有关的课程设计背景资料，并向学生讲述课程设计的方法、步骤和要求，设计过程采取课堂集中辅导，分散设计的方式进行。

课程设计按3～6个人为一组，要求在小组内分工协作、充分讨论、相互启发的基础上形成设计方案，课程设计结束要求提交一份课程设计报告书，必要时可要求各小组选出一个代表，进行课程设计方案演示和答辩，评出若干优秀设计成果。

二、课程设计具体要求

设计过程以小组为单位，各组设一个组长，负责组织和协调本小组的讨论、任务分工等；

设计过程必须在本组内独立完成，不得跨组参考或抄袭，避免方案出现雷同；

设计书一律采用A4纸打印，用统一封面装订；

课程设计原则上在2周内做完；

最后一周进行优秀设计方案评选，在各组推选代表进行方案介绍的基础上，推选出2-3个优秀设计方案。

三设计内容

§1电机课程设计任务书

一、题目：

变压器的设计

二、内容：

设计一台S9-2000～6300/35电力变压器。

完成电磁设计、给出计算单。

三、要求：

满足国标GB1094、GB6451的要求。

四、步骤：

1.电压、电流的计算。

2.铁心直径的选取。

3.磁密及匝数的确定。

4.电压比的校核<=0.25%

5.线圈型式的选取及计算。

6.阻抗的计算。

<2.5%

7.空载损耗的计算。

<5%

8.负载损耗的计算。

<5%

9.线圈温升的计算。

10.油面温升的计算。

五、原则：

1．在满足设计要求（GB1094、GB6451）的前提下价格最低。

2．尽可能多出方案。

§2电磁设计原理

1电压、电流计算：

1.1电压

1.1.1单、三相变压器的线电压和相电压

通常变压器技术规范中的额定电压均为线电压，而确定线圈匝数所进行的计算则需要相电压。

单相变压器：

Uxg=Uxn

其中：

Uxg——额定相电压，kV；

Uxn——额定线电压，kV。

三相变压器：

Y（星形）接法：

Uxg=Uxn/

Δ（三角形）接法：

Uxg=Uxn

1.1.2标准线、相电压及其各分接电压

为了方便起见现列出下表供使用。

表中列出了110kV级及以下各种线、相电压，并给出了以额定电压为基础的5%及其他一些分接范围的标准值。

表1-1标准的线、相电压

电压

+5%

额定值

（V）

-5%

5%

差值

电压

+5%

额定值

（V）

-5%

5%

差值

线

242

230

218

12

线

6300

6000

5700

300

相

140

133

126

7

相

3637

3464

3291

173

线

400

380

360

20

线

6600

6300

6000

300

相

231

219.5

208

11.5

相

3811

3637

3464

173

线

420

400

380

20

线

6900

6600

6300

300

相

242.5

231

219.5

150

相

3984

3811

3637

173

线

3150

3000

2850

87

线

10500

10000

9500

500

相

1819

1732

1045

150

相

6062

5774

5485

289

线

3300

3150

3000

87

线

11000

10500

10000

500

相

1905

1819

1732

150

相

6351

6062

5774

289

线

3450

3300

3150

150

线

11550

11000

10450

550

相

1992

1905

1819

87

相

6668

6351

6034

317

电压

+10%

+7.5%

+5%

+2.5%

额定值（V）

-2.5%

-5%

-7.5%

-10%

2.5%差值

线

38500

37620

36750

35870

35000

34130

33250

32380

31500

875

相

22230

21720

21220

20710

20210

19710

19200

18700

18190

505

线

40420

39460

38500

37540

36580

35610

34650

960

相

22340

22780

22230

21680

21120

20560

20010

555

线

121000

118250

115500

112750

110000

107250

104500

101750

99000

2750

相

69860

68270

66680

65100

63510

61920

60340

58750

57160

1585

线

127050

124020

121000

117980

114950

111930

108900

3025

相

73350

71610

69860

68110

66370

64620

62870

1745

1.2电流计算

三相变压器的线、相电流根据接法不同应分别计算

1.2.1三相变压器为YN（Y）接法

相电流（Ixg）、线电流（Ixn）的计算公式如下：

1.2.2三相变压器为三角（Δ）接法

相电流（Ixg）、线电流（Ixn）的计算公式如下：

线电流

相电流

综上所述，根据已知的额定容量、额定电压（包括各分接电压）接法及相数按上述各有关公式计算出所需的线、相及各分接电流。

2铁心直径估算及线圈匝数计算

2.1铁心直径估算：

铁心直径的选取是变压器计算中很重要的工作，铁心直径选取的是否合适，它将直接影响变压器的技术经济指标，如材料的消耗、变压器的成本、变压器的重量、体积及运输等。

通常同一变压器当选取的铁心直径过大时，则变压器的铁心重量、空载损耗将要增大，而线圈所用的导线重量和负载损耗则减小，变压器较矮。

当选取的铁心直径过小时，则得到相反的结果。

铁心直径的确定目前是采用经验公式估算的，用估算的铁心直径按计算程序进行计算，当算到阻抗电压时，如果阻抗电压值与标准植相差较大时，此时应调整铁心直径，直到调整到阻抗电压合格或者相差很小为止，阻抗电压的计算值相差很小可通过调整其它尺寸来满足阻抗电压的要求。

现阶段铁心直径的选取通常采用下述经验公式进行计算。

式中：

D----铁心直径尺寸，mm;

P′----每柱容量，kVA;

K----经验系数。

经验系数K值随着电源频率、铁心磁通密度及结构型式而变化，这是推荐的经验系数供计算中选取铁心直径时参考。

经验系数K见下表

表2-1变压器额定容量Se与P′的关系及经验系数K

变压器类别

Se与P′的

关系式

K（铜线圈）

冷轧片

热轧片

三相双绕组

P′=Se/3

53～57

60～64

三相三绕组

P′=Se/2

51～55

58～62

单相双绕组

P′=Se/2

53～57

60～64

单相三绕组

P′=Se/4

51～55

58～62

单相双绕组单柱

P′=Se

53～57

60～64

效益系数

KB=0.5

三相自耦

P′=KBSe/2

51～55

58～62

单相自耦

P′=3KBSe/4

2.2变压器容量的折算

双绕组变压器由于两侧线圈均为额定容量，因而在计算每柱容量时则不需折算。

三绕组变压器有时中压或低压线圈的容量不是额定容量，因此在计算中必须将三线圈的容量折算为同一容量。

三绕组变压器容量的折算

三绕组变压器折算成同一容量：

式中：

SG、SZ、SD分别为高中低压绕组的容量，kVA。

2.3铁心截面

铁心柱和铁轭通常采用多级梯形结构，在直径一定的条件下，级数愈多有效截面积愈大，此时，铁心制造工艺则较复杂，一般铁心柱截面的较合理的级数如下表中推荐的级数。

叠片系数的选择

叠片系数的大小与硅钢片的厚度、平整度及漆膜的厚度有关。

通常对于0.35mm厚的冷轧硅钢片，若不涂漆时，叠片系数可取0.96~0.97，涂绝缘漆时，叠片系数可取0.95~0.96。

铁轭截面通常与铁心柱截面完全相同的多级梯形，铁轭截面也可采用“T”形或矩形（比铁柱截面级数少），通常铁轭截面比铁心柱截面大5~10%，来减小空载损耗和空载电流。

表2-2铁心截面、参数表

铁心直径（mm）

毛截面积

cm2

叠片系数0.97

夹件内距

mm

夹件油道厚

mm

线圈撑条数

级数

φD

纸筒内径

净截面cm2

三相角重kg

90

100

55.8

54.13

6.95

83

1.5

6

5

95

105

64

62.08

9.11

89

1.5

6

5

100

110

70.4

68.29

9.91

95

1.5

6

5

105

115

79

76.63

12.53

100

1.5

6

6

110

120

86.4

83.81

13.55

106

1.5

6

6

115

125

94.1

91.28

16.37

106

1.5

6

6

120

130

102.1

99.04

17.6

112

1.5

8

6

125

135

111.8

108.45

21.3

117

1.5

8

6

130

140

120.2

116.6

22.64

122

1.5

8

6

135

145

130.4

126.49

27

127

1.5

8

6

140

150

139.9

135.7

28.54

130

1.5

8

6

145

155

153.4

148.8

34.32

142

1.5

8

7

150

160

163.8

158.9

36.5

148

1.5

8

7

155

165

174.5

169.27

41.86

152

1.5

8

7

160

170

185.7

180.13

44.12

158

1.5

8

7

165

175

199.6

193.61

51.11

163

1.5

8

7

170

180

210.4

204.09

53.42

166

1.5

8

7

175

185

223.1

216.41

60.68

170

1.5

8

7

180

190

237.2

230.09

64.01

177

1.5

8

7

185

195

250.8

243.28

72.33

182

1.5

8

7

190

200

264

256.08

75.49

187

1.5

8

7

195

205

277.8

269.47

84.73

191

1.5

8

7

200

210

292

283.24

88.18

197

1.5

8

7

205

215

307.8

298.57

98.88

202

1.5

8

7

210

220

323.8

314.09

102.96

208

1.5

8

7

215

225

339.8

329.61

114.54

234

12

8

7

220

230

356.3

345.61

119.06

239

12

8

7

225

235

371.6

360.45

131.25

244

12

8

7

230

240

388.8

377.14

136.1

246

12

8

7

235

245

406.1

393.92

149.86

251

12

8

7

240

250

423.4

410.7

155.03

256

12

8

7

245

255

444.6

431.26

171.05

262

12

8

8

250

260

462.4

448.53

176.69

267

12

8

8

255

265

482.3

467.83

193.44

273

12

8

8

260

270

500.7

485.68

199.2

275

12

8

8

265

275

520.4

504.79

216.92

280

12

8

8

270

280

540.8

524.58

223.92

286

12

8

8

275

285

560.7

543.88

242.89

291

12

8

8

280

290

581.2

563.76

250

296

12

8

8

285

295

601.8

583.75

270.3

300

12

8

8

290

300

622.8

604.12

278.03

305

12

8

8

300

310

667.5

647.48

308.35

313

12

8

8

310

320

714.4

692.97

340.27

318

12

10

9

320

330

759.1

736.33

373.57

325

12

10

9

330

340

808.4

784.15

410.83

335

12

10

9

340

350

859.4

833.62

450.71

346

12

10

9

340

352

849.8

824.3

442.5

330

12

12

12

350

362

901.2

874.16

483.7

340

12

12

12

360

372

953.6

924.99

527.2

350

12

12

12

370

382

1007.8

977.56

573.6

360

12

12

12

380

392

1064.6

1032.66

623.1

370

12

12

12

390

402

1122.6

1088.92

674.9

380

12

12

12

400

412

1183.4

1147.89

730.5

390

12

12

12

410

422

1239.8

1202.6

786

400

12

12

12

420

432

1305.2

1266.04

847.8

410

12

12

13

430

442

1368.2

1327.15

910.9

420

12

12

13

440

452

1433.8

1390.78

977.8

430

12

12

13

450

462

1475.8

1413.52

1031.21

440

12

12

13

460

472

1528.4

1482.54

1091.6

450

16

12

13

470

482

1597

1549.09

1166.2

460

16

12

13

480

492

1671.2

1621.06

1246.4

470

16

16

13

490

502

1740.6

1688.38

1327.4

480

16

16

13

500

512

1815.8

1761.32

1413.5

490

16

16

13

三、磁密及匝数的确定

通常在选好铁心直径（计算值应靠标准铁心直径）后，首先计算没有分接的线圈（如低压线圈）匝数，然后计算高压或中压线圈匝数。

3.1初算每匝电压et＇

当额定频率为50Hz时：

et＇=BAt／450

当额定频率为60Hz时：

et＇=BAt／375

式中：

et＇----初算每匝电压（V）；

At----铁心截面积,cm2;

B----磁通密度,千高斯.

通常0.35mm厚的冷轧硅钢片（如DQ137--35,DQ151—35）选取的磁通密度为17.1～17.5千高斯。

3.2初算低压线圈匝数

WD＇=Uxg/et＇

式中：

WD＇----初算的低压线圈匝数，应取成整数匝WD；

Uxg----低压线圈相电压，V。

按上式计算的低压线圈匝数不一定是整数，若舍去小数位时，磁通密度B将比初算et＇时大；若进位为整数匝时，磁通密度B将比初算et＇时小。

3.3确定每匝电压et

et=Uxg/Wd（式中et值算至小数点后三位）

3.4磁通密度和磁通的计算

当确定了的每匝电压计算完之后，便可确定出正式的磁通密度和磁通。

B=450et／At（千高斯）

φ=450et（千线）。

3.5高压或中压线圈匝数的计算

通常高压线圈都带有分接，根据各分接相电压求出相应分接的匝数。

首先计算出最大分接的匝数，随后再根据两个相邻分接的相电压之差，求出每调一级电压的分接匝数。

最大分接匝数WG1＇=Uxg/et（取成整数匝WG1）

各分接匝数ΔWG1＇=ΔUxg/et（取成整数匝ΔWG1）

根据WG1减去ΔWG1，即可分别求出其它各分接相对应的匝数。

四、电压比校核

4.1主分接电压比的校核

按国家标准《电力变压器》GB1094.1的规定电压比的数值比上述值大，但考虑制造与试验的偏差，设计时应保留一定的裕度。

4.2具有分接的线圈电压比校核

高压线圈具有分接电压比的校核，通常首先校核主分接，然后校核最大和最小分接。

主分接的校核同上，最大和最小分接的电压比校核按下式：

式中Uxgi—最大（小）分接的标准电压；

U＇xgi—最大（小）分接电压的计算值。

上式计算得出结果不许大于1%。

容量kVA

电压kV

线圈型式

线圈类别

630及以下

0.4

双层层式

内线柱

500及以下

3～10

多层层式

外线柱

630及以下

35

2000及以下

63

分段层式

800～1000

0.4

双螺旋式

内线柱

1250～2000

0.4

四螺旋式

4000～10000

3

单螺旋或

单半螺旋

16000～50000

6

40000～60000

10

800～3150

3

连续式

或者

纠结连续式

外线柱

800～10000

6

630及以上

10

800及以上

35

2500及以上

63

5000及以上

110

五、线圈计算

5.1线圈结构型式的确定表5-1线圈结构型式

线圈结构型式的确定是根据变压器容量的大小及电压的高低，下面介绍部分变压器的线圈结构型式供参考选取，随着技术的发展新的结构型式将会出现。

推荐的结构型式如右表

线圈的结构型式通常有如下几种

A层式线圈

B螺旋式线圈

C连续式线圈

D纠结式线圈

E纠结连续式线圈

F插入电容式线圈

5.2线圈用导线及其电流密度的选取

5.2.1导线的选取

线圈常用的导线有高强度缩醛漆包（铜、铝）线，纸包圆线，纸包扁线。

通常导线直径在φ1.5以下时采用铜线，而扁线的宽度在16mm以下，厚度在4.0以下，扁线的宽厚比：

层式线圈为1.5～3；螺旋式为2～4，连续与纠结式为2.5～6。

从工艺的角度来讲，连续式线圈导线并绕根数应≤6，纠结式并联根数≤3。

5.2.2密度的选取

线圈导线的电流密度主要取决于负载损耗、线圈温升及变压器二次侧突然短路时的动、热稳定，一般铝线的电密≤2.3A/mm2，铜线的电密≤4A/mm2

目前低损耗变压器的导线电密选取范围为2～3.5A/mm2。

线规表见下页：

5.3饼式线圈段数及每段匝数

5.3.1线段的分配

通常先分配带有分接的高压线圈的段数，高压线圈的每段匝数一般取与分接段匝数相同，特殊情况下取分接段匝数的一半（此时，每一分接匝数为两段）。

带有分接段的高压线圈为了引出分接线，其线圈的总段数为四的倍数；而无分接段的中、低压线圈其段数应为偶数。

每段匝数尽可能满匝，避免垫段过多，（有主绝缘要求者除外）。

5.3.2确定线圈段数及每段匝数

A外部（高压）线圈段数的确定

高压线圈总段数取决于电压等级、纵绝缘尺寸及其阻抗电压数值等。

通过计算实践现推荐右表作为初选用表5-2高压线圈总段数

线圈电压等级

（kV）

10

35

110

总段数

N

40～60

56～76

56～76

2（34～44）

B每段匝数的确定

分接段每段匝数

WF=△WG/NF（取整数）

式中：

WF----分接段每段匝数；

△WG----高压分接段匝数；

NF----高压分接段段数。

正常段每段匝数

WG=W1/（N-NF）（取整数）

式中：

WG----正常段每段匝数；

W1----最小分接时的匝数；

N----高压线圈总段数，当线圈为中部出线时，取N/2；

NF----分接段段数。

通常10kV级端部或中出线4；35kV级端部出线取8。

加强线段的每段匝数：

由于加强线段内径垫纸条或增大匝绝缘的需要，其匝数比正常段通常要少1～2匝。

高压线圈总匝数等于各种线段数乘以每段各自匝数之和。

对于中部出线之线圈，由于上下部为关联结构，因而只计算某半部的匝数即是线圈的总匝数。

表5-3圆铜导线（QQ-2）线规表

裸线直径φd

截面（mm2）

最大直径

绝缘重

（%）铜线

裸线直径

φd

截面（mm2）

最大

直径

绝缘重

（%）铜线

0.06

0.00283

0.09

0.59

0.2734

0.66

2.85

0.07

0.00385

0.1

0.62

0.3019

0.69

2.71

0.08

0.00503

0.11

0.64

0.3217

0.72

2.85

0.09

0.00636

0.12

0.67

0.