单相变压器毕业设计Word下载.docx
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隨著科學技術進步，電工電子新技術的不斷發展，新型電氣設備不斷湧現，人們使用電的頻率越來越高，人與電的關係也日益緊密，對於電性能和電氣產品的瞭解，已成為人們必需的生活常識。
變壓器是一種靜止的電氣設備，它是利用電磁感應原理把一種電壓的交流電能轉變成同頻率的另一種電壓的交流電能，以滿足不同負載的需要。
在電力系統中，變壓器是一個重要的電氣設備，它對電能的經濟傳輸，靈活分配和安全使用具有重要的作用，此外，也使人們能夠方便地解決輸電和用電這一矛盾。
輸電線路將幾萬伏或幾十萬伏高電壓的電能輸送到負荷區後，由於用電設備絕緣及安全的限制，必需經過降壓變壓器將高電壓降低到適合於用電設備使用的低電壓。
當輸送一定功率的電能時，電壓越低，則電流越大，電能有可能大部分消耗在輸電線路的電阻上。
為此需採用高壓輸電，即用升壓變壓器把電壓升高輸電電壓，這樣能經濟的傳輸電能。
它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達到數十萬千伏安；
電壓低的只有幾伏，高的可達幾十萬伏。
如果按變壓器的用途來分類，幾種應用最廣泛的變壓器為：
電力變壓器、儀用互感器和其他特殊用途的變壓器；
如果按相數可以分為單相和三相變壓器。
不管如何進行分類，其工作原理及性能都是一樣的。
變壓器是通過電磁耦合關係傳遞電能的設備，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芯（構成磁路）和繞在鐵芯上的兩個匝數不同、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.變壓器的工作原理及分類
1.1變壓器的基本工作原理
變壓器是利用電磁感應原理工作的，如圖1-1所示
圖1-1變壓器工作原理示意圖
在一個閉合的鐵芯上，套有兩個繞組。
這兩個繞組具有不同的匝數且互相絕緣，兩繞組間只有磁的耦合而沒有電的聯繫。
其中，接於電源測的繞組稱為原繞組或一次繞組，一次繞組各量用下標“1”表示；
用於接負載的繞組稱為副繞組或二次繞組，二次繞組各量用下標“2”表示。
若將繞組1接到交流電源上，繞組中便有交流電流
流過，在鐵芯中產生交變磁通
，與外加電壓
相同頻率，且與原、副繞組同時交鏈，分別在兩個繞組中感應出同頻率的電動勢
和
。
由式可知，原、副繞組感應電動勢的大小正比於各自繞組的匝數，而繞組的感應電動勢又近似於各自的電壓，因此，只要改變一次或二次繞組的匝數比，就能達到改變電壓的目的，這就是變壓器的工作原理。
1.2變壓器的分類
為適應不同的使用目的和工作條件，變壓器中類很多，因此變壓器的分類的方法有多種，通常可按用途、繞組數目、相數、鐵芯結構、調壓方式和冷卻方式等劃分類別。
按用途分：
有電力變壓器（升壓變壓器、降壓變壓器、配電變壓器、聯絡變壓器等）和特種變壓器（如實驗變壓器、儀用變壓器、電爐變壓器和整流變壓器等）。
按繞組數目分：
有單繞組（自耦）變壓器、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和多繞組變壓器。
按相數分：
有單項變壓器、三項變壓器和多項變壓器。
按鐵芯結構分：
有心式變壓器和殼式變壓器。
按調壓方式分：
有無勵磁調壓變壓器和有載調壓變壓器。
按冷卻介質和冷卻方式分：
有幹式變壓器、油浸變壓器和充氣式冷卻變壓器。
2.變壓器的基本結構
變壓器的基本結構部件有鐵芯、繞組、油箱、冷卻裝置、絕緣套管和保護裝置等。
2.1鐵芯
鐵芯是變壓器的主磁路，又是它的支撐骨架。
為了減少鐵損耗，變壓器的鐵芯是用彼此絕緣的矽鋼片疊成或用非晶材料製成。
其中套有繞組的部分稱為鐵芯柱，連接鐵芯柱的部分稱為鐵軛，為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器鐵芯在疊裝時相鄰兩層矽鋼片要相互錯開。
鐵芯是變壓器磁路部分。
為減少鐵芯內磁滯損耗渦流損耗，通常鐵芯用含矽量較高的、厚度為0.35或0.5mm、表面塗有絕漆的熱軋或冷軋矽鋼片疊裝而成。
鐵芯結構有兩種基本形式：
心式和殼式。
2.2繞組
變壓器的繞組用絕緣圓導線繞成，是構成變壓器電路的主要部分。
原、副邊繞組一般用銅或鋁的絕緣導線纏繞在鐵心柱上。
高壓繞組電壓高，絕緣要求高，如果高壓繞組在內，離變壓器鐵芯近，則應加強絕緣，提高了變壓器的成本造價。
因此，為了絕緣方便，低壓繞組緊靠著鐵芯，高壓繞組則套裝在低壓繞組的外面。
兩個繞組之間留有油道，既可以起絕緣作用，又可以使油把熱量帶走。
在單相變壓器中，高、低壓繞組均分為兩部分，分別纏繞在兩個鐵芯柱上，兩部分既可以串聯又可以並聯。
2.3其他
除了鐵芯和繞組之外，因容量和冷卻方式的不同，還需要增加一些其他部件，例如外殼、油箱、絕緣套管等。
3.設計的內容
計算內容有四部分：
額定容量的確定；
繞組（線圈）排列及鐵芯尺寸的最後確定。
3.1額定容量的確定
變壓器的容量又稱表現功率或視在功率，是指變壓器二次側輸出的功率，通常用VA表示。
3.1.1二次側總容量
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：
3.1.2一次繞組的容量
對於小容量變壓器來說，我們不能就認為一次繞組的容量等於二次繞組的總容量，因為考慮到變壓器中有損耗，所以一次繞組的容量應該為
式中
--變壓器的額定容量；
--變壓器的效率，取0.8，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
V·
A
磁通密度
×
10
T
效率η（%）
電流密度
鐵心計算中的
值
小於10
6000～7000
60～70
3～2.5
2
10～50
7000～8000
70～80
2.5～2
2～1.5
50～100
8000～9000
80～85
1.5～1.3
100～500
9000～11000
85～90
2.5～1.5
1.3～1.25
500～1000
11000～12000
90～92
1.5～1.2
1.25～1.1
3.1.3變壓器的額定容量
由於本次設計是功率為100W的單項變壓器，所以不考慮在三相變壓器中的情況，只考慮單相變壓器的情況。
小容量單相變壓器的額定容量取一、二繞組容量的平均值，
考慮到存在一定的損耗，可視變壓器的額定容量近似取115VA
3.1.4一次電流的確定
式中1.2是勵磁電流的經驗係數
3.2鐵芯尺寸的選定
3.2.1計算鐵芯截面積A
為了減小鐵損耗，變壓器的鐵芯是用彼此絕緣的矽鋼片疊成或非晶材料製成。
其中套有繞組的部分稱為鐵芯柱，連接鐵芯柱的部分稱為鐵軛，為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器鐵芯在疊裝時相臨兩層矽鋼片的接縫要相互錯開。
圖3-1鐵芯的幾何尺寸
小容量變壓器鐵芯形式多採用殼式，中間芯柱上套放繞組，鐵芯的幾何尺寸如圖3-1所示。
小容量芯柱截面積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
）。
A——鐵芯柱的淨面積，單位為
；
——截面計算係數，與變壓器額定容量
有關，按表3-2選取，當採用優質冷軋矽鋼片時
可取小些截面積計算係數
表3-2截面積計算係數
的估算值
/VA
＜10
＞500
2～1.75
1.75～1.5
1.5～1.35
1.35～1.25
1.25～1.0
計算芯柱截面積A後，就可確定芯柱的寬度和厚度
式中a——芯柱的寬度（cm）；
b——芯柱的淨疊厚（cm）；
按A的值，確定a和b的大小，一般取
並盡可能選用通用的矽鋼片尺寸。
表3-3列出了通用的小型變壓器矽鋼片尺寸。
表3-3小型變壓器通用的矽鋼片尺寸
a
c
h
H
13
16
19
22
25
28
32
38
44
50
58
64
7.5
9
10.5
11
12.5
18
24
30
33
37.5
42
48
57
66
75
84
96
40
60
114
132
150
168
192
34
55
62.5
70
80
95
110
125
140
160
所以根據表3-3可知，a可以近取28mm
3.3繞組的匝數與導線直徑
3.3.1繞組的匝數計算
從變壓器的電勢公式
A,若頻率f=50Hz,可得出每伏所需的匝數
——對應於每伏電壓的匝數，單位：
匝/V
——鐵芯柱內工作磁密最大值，單位：
——鐵芯柱截面積，單位：
採用冷軋矽鋼片時，可取
=1.2~1.5T
根據N和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數
、
為各線圈的匝數。
為補償負載時漏阻抗壓降，本次設計副邊各線圈的匝數均增加了10%。
3.3.2導線直徑的計算
小型變壓器的線圈多採用漆包圓銅線（QZ型或QQ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，則電流密度大，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幹式變壓器，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，對於一般的
氣自然冷卻工作條件，J=2—3A/
對於連續工作時可取J=2.5
/
導線的截面積：
導線的直徑：
副邊電流:
導線截面：
導線直徑：
式中：
d—原、副邊各線圈導線直徑，單位：
mm；
I—原、副邊各線圈中的工作電流，單位：
A；
根據計算出導線的直徑查表3-4，可選原邊材料厚度為0.11mm的高強度聚酯漆包線，副邊材料厚度為0.06mm的高強度聚酯漆包線。
因為高強度聚酯漆包線導電性能好，絕緣漆有足夠的耐熱性能，並且有一定的耐腐蝕能力，所以選用高強度聚酯漆包線。
根據算出的導線直徑查表3-4選取相近的標準線徑。
當線圈電流大於10A時，可採用多根導線並聯或選用扁銅線。
表3-4導線材料的選取
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
高強度聚酯漆包線
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.11
0.12
0.13
矽有機單玻璃絲包線
—
0.20
0.22
0.24
矽有機雙玻璃絲包線
0.25
0.27
0.28
3.4繞組（線圈）排列及鐵心尺寸的最後確定：
繞組的匝數和導線的直徑經計算並確定後，就可以做繞組排列了。
繞組每層所需的匝數為:
式中
—絕緣導線外徑（mm）；
h——鐵芯窗高（mm）；
0.9——考慮繞組框架兩端厚度的係數；
（2～4）——考慮裕度係數
絕緣外徑是裸導線的直徑加上所選導線材料的厚度
根據表4-3可知h=42，所以：
原邊繞組每層的匝數：
副邊繞組每層的匝數：
各繞組所需層數為：
原邊層數：
副邊層數：
原邊繞組的厚度為：
副邊繞組的厚度為：
——層間絕緣厚度（mm），導線較粗（0.2mm以上），用一層厚度為0.05～0.07mm的電纜紙（或牛皮紙），
——繞組間的絕緣厚度（mm），當電壓不超過500V時，可用2～3層電纜紙夾1～2層黃蠟布等。
繞組總的厚度為：
式中1.1為裕度係數
繞組的厚度約等於窗寬16毫米,此方案可行，繞組必須緊密纏繞。
4.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內容有四個部分：
容量的確定；
鐵心尺寸的選定；
繞組匝數與導線直徑的計算；
繞組排列及鐵芯尺寸的最後確定。
本次設計單項變壓器的一次側容量為125VA,二次側容量為100VA,對於容量小的變壓器，它的額定容量取一、二側容量的平均值。
鐵芯尺寸選用芯柱寬度2.7cm,淨厚度為5.4cm，截面積為14.5
的冷紮矽鋼片。
在計算繞組的匝數時，要先計算每伏電壓應繞的匝數，通過計算可知為2.6匝/V，所以原邊繞組的匝數為89，副邊繞組的匝數為973；
計算導線直徑時，要先計算導線的截面積，然後在計算直徑。
變壓器的效率80%~90%。
對小容量變壓器應考慮內部壓降，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，小型變壓器的的品質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，並有很好的負載，通過空載電流的測定，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。
通過學習電機與拖動，對變壓器有了一些初步瞭解，但那都是一些理論的東西。
通過這次對單相變壓器的畢業設計，我把學到的知識與實踐相結合。
從而對我所學的知識有了更進一步的理解。
在此次的單相變壓器的設計過程中，我更進一步地熟悉了變壓器的設計方法和步驟，在選擇材料時要注意的一些問題。
也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關資料來解決問題的習慣。
參考文獻
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