计算机辅助设计与制造.docx
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计算机辅助设计与制造
河南机电高等专科学校
课程设计报告书
课题名称：
电机电器及其CAD
系部名称：
电气工程系
专业：
电机与电器
班级：
电器091班
姓名：
学号：
2011年12月20日
设计任务书
一、设计目的：
1、熟悉变压器优化设计软件。
2、掌握变压器设计各性能参数及材料、结构的设置。
3、掌握优化设计的方法、步骤。
4、掌握优化方案的选择及细调。
5、熟悉铁心截面的优化。
二、设计内容要求：
（一）S9系列变压器电磁优化设计
1、性能参数输入；
2、材料、铁心、线圈、绝缘参数的设置；
3、油箱、温升、重量计算；
4、优化计算；
5、调整计算单；计算单保存生成；
6、铁心截面优化。
（二）S9系列变压器结构CAD设计
1、总装配图
2、铁心、铁心装配
3、线圈
4、器身装配及绝缘
5、夹件及引线装配
目录
一、课程设计任务书…………………………………………………….1
二、设计方案的优化及选择……………………………………………..2
1、设计方案A的优化及选择
（1）性能参数设置
（2）铁心材料、导体材料及结构的选取
（3）变压器主纵绝缘尺寸的确定
（4）方案的优化及调整
（5）方案的比较及选择
2、设计方案B的优化及选择
（1）性能参数设置
（2）铁心材料、导体材料及结构的选取
（3）变压器主纵绝缘尺寸的确定
（4）方案的优化及调整
（5）方案的比较及选择
3、问题及讨论
三、变压器结构CAD绘制…………………………………………….12
1、图层、线型、文字等基本绘图环境的设置及绘图模板的绘制
2、主要结构尺寸及尺寸配合的确定。
3、问题及讨论。
四、心得体会……………………………………………………………
五、附录一：
计算单附录二：
结构图
六、参考文献……………………………………………………………
设计方案的优化及选择
1、设计方案A的优化及选择
（1）性能参数设置
额定值：
SN=100KVA，，高压侧无励磁调压，调压范围±5%。
S9-500/10联结组别：
Yyn0，U1N=10000V，U2N=400V，PK=1485W，P0=280W，阻抗电压：
4%
（2）性能参数计算
变压器的性能参数，主要有空载损耗、空载电流、负载损耗、短路阻抗等。
设计变压器时，在遵循基本物理概念的基础上，还必须考虑材料、结构、工艺等具体要求，各计算公式也必须尽量精确些，方可减少误差。
短路阻抗3.91[4.0%]短路损耗1531[1485W]
空载损耗281[280W]空载电流1.06[1.6%]
（3）铁心材料、导体材料及结构的选取
铁芯是变压器磁路的主体部分，由表面涂有绝缘漆膜、厚度为0.35mm或0.5mm的硅钢片冲压成一定形状后叠装而成，担负着变压器原、副边的电磁耦合任务。
变压器使用的铁心材料主要 是硅钢片，在钢片中加入硅能降低钢片的导电性，增加电阻率，它可减少涡流，使其损耗减少,我们通常称加了硅的钢片为硅钢片，硅钢片有热轧和冷轧两种.热轧硅钢片的工作磁通密度B一般取9000-12000高斯,冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好, 它的工作磁通密度B取值范围为12000-18000高斯。
本方案的铁芯材料可采用高导磁的硅钢片，硅钢片型号选用DQ147-30，铁芯结构可采用叠片式。
根据变压器功率选择变压器铁心的直径。
铁心直径131mm硅钢片牌号DQ147-30
铁窗高度265mm心柱中心距250mm
叠片系数0.970磁通密度1.663T
铁轭净截面123.336cm2心柱净截面120.183cm2
三相角重21.2kg铁心重量188.7kg
单位铁损1.192W/kg损耗系数1.25
磁化容量2.489VA/kg接缝伏安0.371VA/cm?
空载电流有功分量0.28%空载电流无功分量1.02%
铁心由铁柱和铁轭两部分组成，绕组套装在铁柱上，而铁轭则用来使整个磁路闭合。
变压器铁心一般采用交迭方式进行叠装，应使上层和下层叠片的接缝相互错开，减小气隙，降低磁路磁阻。
小型变压器铁心一般采用EI型或F型，本方案采用EI型铁心。
变压器通常用的材料有漆包线、沙包线、丝包线,最常用的漆包线。
对于导线的要求,是导电性能好,绝缘漆层有足够耐热性能,并且要有一定的耐腐蚀能力。
一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线.本方案中高压导线可采用漆包线，低压导线采用纸包线。
（4）窗高及绝缘半径和中心距的计算
铁窗高度及绝缘半径是变压器两个主要尺寸。
这两个尺寸已确定，整个变压器的外形尺寸就基本上能定下来。
铁窗高度主要取决于绕组高度，另外，铁窗高度与端绝缘大小关系也很大。
绝缘半径大小主要取决去主空道尺寸及绕组的辐向尺寸，主空道主要指低压或中压至铁心，以及高、中、低之间距离。
当输入各项参数时，由软件得：
铁心半径97.5mm铁窗高度410mm
心柱中心距245mm低压线圈内半径66.5mm
低压线圈辐向宽18.0mm低压线圈外半径84.5mm
主空道距离6.5mm高压线圈内半径91.0mm
高压线圈辐向宽29.7mm高压线圈外半径120.7mm
高压线圈相间距8.6mm铁心柱中心距离250mm
（5）绕组尺寸的计算
绕组是变压器电路的主体部分，担负着输入和输出电能的任务。
绕制变压器通常用的材料有漆包线、丝包线，最常用的漆包线。
对于导线的要求，是导电性能好，绝缘漆层有足够耐热性能，并且要有一定的耐腐蚀能力。
一般情况下最好用Q2型号的高强度的聚脂漆包线。
变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成. 原边绕组接输入电压, 副边绕组接负载. 原边绕组只有一个, 副边绕组为一个或多个原副边绕组套装在同一铁心柱上. 套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。
本方案中高压线圈结构型式采用多层圆筒式，低压线圈结构型式采用四层圆筒式。
通过软件的筛选可确定：
高压线圈结构型式多层圆筒式低压线圈结构型式双层圆筒式
高压绕组分接线电压（V）10500102501000097509500
高压绕组分接相电压（V）10500102501000097509500
低压绕组电压400/231V高压线圈额定电流16.67A
低压线圈额定电流721.7A高压线圈电流密度2.303A/mm?
低压线圈电流密度2.576A/mm2匝电压9.62250V
高压线圈匝数1091106510391013987
低压线圈匝数24高压线圈每层匝数100*10+91*1=1091
低压线圈每层匝数12*2=24高压线圈导线尺寸1.90*4.00/2.35*4.45mm
低压线圈导线尺寸3.15*15.00/3.60*15.45mm
高压线圈导线截面7.237*1=7.24mm2
低压线圈导线截面46.701*6=280.20mm2
高压线圈平均匝长0.870/0.993m低压线圈平均匝长0.710m
高压线圈总长982.4/1034.0m低压线圈总长17.54m
高压线圈导线电阻2.8464Ω低压线圈导线电阻0.0013127Ω
高压线圈导线重量199.81/206.41kg低压线圈导线重量131.22/133.21kg
导线总重量331.03/339.62kg高压线圈轴向高度459mm
低压线圈轴向高度407mm高压线圈辐向厚度16.0+20.5=36.5mm
低压线圈辐向厚度23.0mm
（6）变压器主纵绝缘尺寸的确定
变压器的绝缘分内绝缘和外绝缘。
外绝缘指油箱外面的套管导电部分之间的空气绝缘，套管导电部分对储油油柜、安全气道及其他接地部分的空气绝缘。
内绝缘是指油箱内的绕组、引线和分接开关的主绝缘和纵绝缘。
所谓主绝缘是指绕组（或引线）对地、对另一相或对同一相的其他绕组（或引线）之间的绝缘，而绝缘是指同一绕组上各点之间或其相应引线之间的绝缘。
1）主绝缘结构及其尺寸的确定原则
油浸式变压器的主绝缘距离是由油隙、绝缘筒、撑条、绝缘端圈、角环等组成。
由于介质和电场分布的不均匀性以及沿面放电的弯曲路径和表面本身的粗糙和污染等复杂情况，使得其难以完全依靠理论计算来确定变压器的绝缘结构及尺寸。
通常是在取得各种情况下的击穿电压或放电电压实验数据的基础上，进行原理分析和计算，得出理论上的最小绝缘距离，最后通过模型试验确定。
绝缘结构设计除应保证足够的绝缘强度以外，还要考虑设置必要的油道尺寸以利于绝缘油循环而满足散热条件。
长期的实验研究和生产实践，对不同电压等级的电力变压器主绝缘结构基本上以做到定型
变压器纵绝缘结构，包括绕组的匝间、层间、线段间的绝缘结构与尺寸，由冲击试验电压与绕组的起始分布电压确定。
查表可得变压器主绝缘尺寸和变压器纵绝缘尺寸为：
高压线圈层间绝缘K-84+3/2首加2次首加1末加1
低压线圈层间绝缘K-83
高压线圈层间油道4.0mm位于4层与5层之间
低压线圈层间油道无
低压线圈对铁心柱的绝缘距离4.0mm
压板厚度及对铁轭的空隙之和无线圈压板
低压线圈对上铁轭的绝缘距离51.5mm
低压线圈对下铁轭的绝缘距离51.5mm
高低压线圈绝缘距离＋静电屏8.0mm
高压线圈对上铁轭的绝缘距离25.5mm有无静电屏自定
高压线圈对下铁轭的绝缘距离25.5mm
相邻高压线圈的相间绝缘距离7.0mm
（7）温升计算
变压器在运行时，有一部分电磁能量将转变为热能，也就是说，变压器运行时，在铁心、绕组和钢结构件中要产生损耗，这些损耗将转变为热量发散到周围介质中去，从而引起变压器发热和温度升高。
变压器在正常运行条件下，带额定负载连续运行，处于热稳定状态，各部分的温升就是稳定温升值。
其大小只决定于发热和散热情况。
油浸式变压器绕组常采用耐热等级为A级的绝缘，在额定运行状态的平均温升不应超过65K。
目前，温升计算多采用试验结果说提供的数据。
由软件得：
高压绕组有效散热面积1.385m2高压线圈表面单位热负荷678W/m2
高压线圈表面对油的温升12.0K高压绝缘校正温升0.0K
高压层数校正温升3.5K高压线圈对油的平均温升15.5[24.0K]
高压线圈对空气的平均温升54.3[65.0K]
低压绕组有效散热面积0.444m2低压线圈表面单位热负荷1320W/m2
低压线圈表面对油的温升20.4K低压绝缘校正温升0.3K
低压层数校正温升2.2K低压线圈对油的平均温升22.9[24.0K]
低压线圈对空气的平均温升61.5[65.0K]
箱盖几何散热面积0.251m2箱壁几何散热面积1.523m2
散热管几何散热面积2.653m2油箱有效散热面积3.507m2
油箱表面单位热负荷514W/m2油平均温升38.6[39.0K]
油温升修正值4.1K油顶层温升50.5[55.0K]
（8）重量计算
铁心重量计算包括心柱重、铁轭重和角重三部分。
心柱重和铁轭重是由窗高和中心柱直接计算，而角重是由工厂绘制铁心直径表格中查给出的。
由软件得：
器身排油重44.3kg空箱装油重163.8kg
油箱内油重119.5kg储油柜中油重7.0kg
总油重126.5kg硅钢片重188.7kg
铜导线重90.7kg器身重307.3kg
箱壁重35.9kg箱盖重11.8kg
箱底重7.9kg散热管重32.1kg
储油柜重11.0kg套管重12.8kg
油箱及附件重120.3kg变压器总重554.0kg
2、设计方案B的优化及选择
2.1性能参数设置
S9-100/10联结组别：
Dyn11，U1N=10000V，U2N=400V，PK=1500W，P0=290W，阻抗电压：
4%
根据方案A的计算原则，铁心材料、导体材料及结构，变压器主纵绝缘尺寸的确定，窗高及绝缘半径和中心距的计算，绕组尺寸的计算，温升计算，重量计算的计算值为：
2.2性能计算
短路阻抗4.01[4.0%]短路损耗1558[1500W]
空载损耗293[290W]空载电流1.24[1.6%]
2.3铁心计算
铁心直径130mm硅钢片牌号DQ147-30
铁窗高度265mm心柱中心距250mm
叠片系数0.970磁通密度1.687T
铁轭净截面120.426cm2心柱净截面118.486cm2
三相角重21.1kg铁心重量185.3kg
单位铁损1.265W/kg损耗系数1.25
磁化容量3.098VA/kg接缝伏安0.425VA/cm2
空载电流有功分量0.29%空载电流无功分量1.21%
2.4线圈计算
高压线圈结构型式多层圆筒式低压线圈结构型式四层圆筒式
高压绕组分接线电压（V）10250100009750
高压绕组分接相电压（V）10250100009750
低压绕组电压400/231V高压线圈额定电流3.333A
低压线圈额定电流144.3A高压线圈电流密度3.048A/mm2
低压线圈电流密度2.286A/mm2匝电压4.44116V
高压线圈匝数230822522195低压线圈匝数52
高压线圈每层匝数168*13+124*1=2308低压线圈每层匝数13*4=52
高压线圈导线尺寸1.18/1.29mm
低压线圈导线尺寸4.00*16.00/4.45*16.45mm
高压线圈导线截面1.0936*1=1.094mm2
低压线圈导线截面63.142*1=63.14mm2高压线圈平均匝长0.617/0.713m
低压线圈平均匝长0.489m高压线圈总长1525.9/1565.9m
低压线圈总长25.90m高压线圈导线电阻29.260Ω
低压线圈导线电阻0.0086026Ω高压线圈导线重量45.72/46.71kg
低压线圈导线重量43.67/44.21kg导线总重量89.39/90.92kg
高压线圈轴向高度220mm低压线圈轴向高度234mm
高压线圈辐向厚度8.5+3.7+15.5=27.7mm
低压线圈辐向厚度19.5mm
高压线圈层间绝缘K-84+2/2首加2次首加1末加1
低压线圈层间绝缘K-83
高压线圈层间油道3.7mm位于5层与6层之间
低压线圈层间油道无
低压线圈对铁心柱的绝缘距离3.0mm
压板厚度及对铁轭的空隙之和无线圈压板
低压线圈对上铁轭的绝缘距离15.5mm低压线圈对下铁轭的绝缘距离15.5mm
高低压线圈绝缘距离＋静电屏6.5mm
高压线圈对上铁轭的绝缘距离22.5mm有无静电屏自定
高压线圈对下铁轭的绝缘距离22.5mm相邻高压线圈的相间绝缘距离6.6mm
2.5绝缘半径
铁心半径65.0mm低压线圈内半径68.0mm
低压线圈辐向宽19.5mm低压线圈外半径87.5mm
主空道距离6.5mm高压线圈内半径94.0mm
高压线圈辐向宽27.7mm高压线圈外半径121.7mm
高压线圈相间距6.6mm铁心柱中心距离250mm
2.6短路阻抗
高压电抗高度218.7mm低压电抗高度217.5mm
平均电抗高度218.1mm漏磁宽度52.83mm
洛氏系数0.923等值漏磁总面积20.855cm2
额定安匝7505.6A额定频率50Hz
短路电阻1.56%附加电抗系数1.00
短路电抗3.70%短路阻抗4.01%
2.7油箱计算
结构型式平顶长方形桶式油箱
油箱长度810mm油箱宽度310mm
油箱高度680mm油箱周长2240mm
箱壁厚度3mm箱底厚度4mm
箱盖厚度6mm储油柜直径180mm
储油柜长度600mm散热管总长度21.9m=0.754*29
散热管尺寸L*C=75*450散热油管上管口中心至箱盖距离80mm
散热油管下管口中心至箱底距离150mm
散热油管弯曲内半径120mm箱壁上每排散热油管管间中心距35mm
2.8温升计算
高压绕组有效散热面积1.415m2高压线圈表面单位热负荷710W/m2
高压线圈表面对油的温升12.4K
高压绝缘校正温升0.0K高压层数校正温升5.5K
高压线圈对油的平均温升17.9[24.0K]
高压线圈对空气的平均温升56.4[65.0K]
低压绕组有效散热面积0.444m2低压线圈表面单位热负荷1246W/m2
低压线圈表面对油的温升19.5K低压绝缘校正温升0.3K
低压层数校正温升2.1K
低压线圈对油的平均温升21.9[24.0K]
低压线圈对空气的平均温升60.3[65.0K]
箱盖几何散热面积0.251m2箱壁几何散热面积1.523m2
散热管几何散热面积2.747m2油箱有效散热面积3.626m2
油箱表面单位热负荷511W/m2油平均温升38.4[39.0K]
油温升修正值4.1K油顶层温升50.3[55.0K]
2.9重量计算
器身排油重44.0kg空箱装油重164.2kg
油箱内油重120.2kg储油柜中油重7.0kg
总油重127.2kg硅钢片重185.3kg
铜导线重90.9kg器身重303.8kg
箱壁重35.9kg箱盖重11.8kg
箱底重7.9kg散热管重33.2kg
储油柜重11.0kg套管重12.8kg
油箱及附件重121.5kg变压器总重552.5kg
3、问题及讨论：
为什么变压器原副边绕组一般套在同一铁心柱上？
答：
把原副边绕组套在同一铁心柱上时, 由于原副边绕组紧挨在一起（间隙实际上很小），部分漏磁通在空气中的路径大受限制，因此漏磁通较小，漏抗压降小，对变压器运行有利，因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化，减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化，使变压器副边电压比较稳定。
通过对方案A和方案B的比较和优化，方案A采用Yyn0联接方式，是我国以前变压器设计时最常用的绕组方式，方案B采用Dyn11联接方式，这种连接方式比方案A有以下几个优点：
1.其3n次谐波电流在其三角形接线的一次绕组内形成环流，更有利于抑制高次谐波。
2.其零序电流较方案A小的多，从而更有利于单相接地短路故障的保护和切除。
所以通过比较和优化设计，最后选择方案B。
三、变压器结构CAD绘制
1、线型、图层、文字等基本绘图环境的设置及绘图模板的绘制
1.1线型的设置
无论方案、扩初还是施工图，在绘制过程中总会用不同的线型表示不同的意思我们常以点划线来表示中心线；以虚线来表示隐藏线；以实线来表示实体等。
而在AutoCAD当中，提供了标准线型库文件ACAD.LIN和标准图案库文件ACAD.DAT来满足绘图的线型变化需要。
1.1.1全局线型的更改。
方法：
用户在Command：
提示下键入LTSCALE后回车，此时命令行出现Newscalefactor<1.0000>：
“<1.0000>”中的1.0000表示当前默认的比例因子为1.0000，接着我们可以在其后输入新的比例因子并回车，即可对全部线型的比例因子进行一次性的修改。
1.1.2特定对象线型的更改。
方法：
在Command：
提示符下键入CELTSCALE后，根据命令的提示输入新的数值后，那么该数值将被作用在新选定的对象上。
通过对不同的对象使用不同比例因子，我们将可以得到不同的线型比例。
1.2图层设置
在图层管理器的对话中，图层的各种格式一目了然，对于AutoCAD本身提供的模板，图层只有一个“0”图层，它的各种设置都是默认值。
为了新建图层，你可以点取右上角的“新建”，图层列表就会出现“图层1”的新图层，随后，你就可以通过对话框下侧的详细资料更改图层的名称、颜色、线宽、线型、打印样式以及图层的各种状态。
对于机械的图纸，所设置的图层及作用如下：
中心线层：
细线点划线阴影线层：
细线连续线
标注线层：
细线连续线虚线层：
细线虚线
双点划线层：
细线双点划线零件轮廓线层：
粗线连续线
螺纹线层：
细线连续线
1.3绘图单位设置
启动AutoCAD，此时将自动创建一个新文件，打开“格式”菜单，选择“单位”命令，系统将打开“图形单位”对话框。
我们可通过“长度”组合框中的“类型”下拉列表选择单位格式，其中，选择“工程”和“建筑”的单位将采用英制。
单击“精度”下拉列表，您可选择绘图精度。
在“角度”组合框的“类型”下拉列表中可以选择角度的单位。
同样，单击“精度”下拉列表可选择角度精度。
“顺时针”复选框可以确定是否以顺时针方式测量角度。
单击“方向”按钮，系统将弹出“方向控制”对话框，您可通过该对话框定义角度的方向。
1.4图形界限
图形界限是AutoCAD绘图空间中的一个假想的矩形绘图区域，相当于您选择的图纸大小。
图形界限确定了栅格和缩放的显示区域。
设置绘图单位后，打开“格式”菜单，选择“图形界限”命令。
命令行将提示您指定左下角点，或选择开、关选择。
单击“颜色”按钮，在对话框上部的图例中单击要修改颜色的元素，在“窗口元素”框中将显示该元素的名称，“颜色”框中将显示该元素的当前颜色。
然后在“颜色”下拉列表中选择一种新颜色，单击“应用关闭”按钮退出。
单击“字体”按钮将显示“命令行窗口字体”对话框，我们可以在其中设置命令行文字的字体、字号和样式。
单击“线宽设置”按钮将弹出“线宽设置”对话框。
用此对话框可以设置线宽的显示特性和缺选项，同时还可以设置当前线宽。
2.主要结构尺寸及尺寸配合的确定
方案B的主要结构尺寸在上述中已经确定，至于尺寸配合应该根据具体的实际情况确定。
四、心得体会
本次设计首先是进行了变压器的电磁计算，然后进行结构设计及绘制产品图纸。
电磁计算的主要任务是确定铁芯的几何尺寸，确定绝缘结构及各种所用绝缘材料的尺寸、安放位置，确定各种绕组的原材料、绕组结构型式、匝数、绕组尺寸、连接方式等，并计算变压器的性能。
需要指出的是，变压器的性能指标和温升与变压器铁芯、绕组、绝缘结构等的设计参数之间存在复杂的关系，因此在设计的时候要综合考虑各方面的因素。
在本次设计中，我对变压器的性能有了更深刻的认识，变压器的设计不止是简单的计算出各项参数，还要根据变压器的运行环境、用户的一些特殊要求来确定其计算原则。
同时计算全过程，应进行多方案比较，以便从中选取最佳方案。
五、附录一：
计算单
（1）性能计算
短路阻抗4.01[4.0%]短路损耗1558[1500W]
空载损耗293[290W]空载电流1.24[1.6%]
（2）铁心计算
铁心直径130mm硅钢片牌号DQ147-30
铁窗高度265mm心柱中心距250mm
叠片系数0.970磁通密度1.687T
铁轭净截面120.426cm2心柱净截面118.486cm2
三相角重21.1kg铁心重量185.3kg
单位铁损1.265W/kg损耗系数1.25
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