中小型变压器设计方案营口特变郭莹海.docx

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中小型变压器设计方案营口特变郭莹海

中小型变压器设计

说明：

在给同学们讲电力电子技术课时，还说到一些其它变压器的作用和设计，现把它们整理出来，供需者享用。

一， 小型单相变压器的设计

 变压器容量大小与其铁心大小有一定的比例关系，计算公式有三，先说小的，后边再说其它两种。

 早年采用热轧硅钢片时使用的铁心计算公式，与现在相比同容量它计算的铁心面积就偏大。

早年的变压器烧毁翻修就得用这个公式，它计算的容量在1KVA左右的日子型和口子型铁心。

铁心截面St=K√P,       K为系数，P=0~10VA时K=2。

10~50，2~1.75，50~500，1.5~1.4,500~1000,1.4~1.2,1000VA以上为1。

例如：

100VA计算，St=1.5√100=15cm²。

1.   旧设备上一台能耗制动变压器烧毁返修实例：

把铁心拔掉，用手摇绕线机把一二次侧的匝数记一下，再用卡尺或千分尺记下两导线带绝缘和不带绝缘的直径大小，用平均匝长乘匝数或直接称得重量，到商店买不到合适导线，可根据铁窗余量大小用大一号或小一号导线代用，所以在买导线之前开始计算每层能绕几匝，多少层能绕完。

层与层垫什么绝缘，垫多厚，一二次之间绝缘垫几层，与铁心柱之间采用什么绝缘骨架等，它们总厚度是多少，可得知窗口面积的余量。

他们能绕下你当然也能绕下，但限于你手头材料有限，绝缘材料厚度及导线截面大小就得灵活掌控。

绕完后用铁心片试插一下，看有不合适可修正，觉得无问题可在烘箱内干燥，浸漆再烘干，线包插上铁心应通电实验一下，是否经得起考验，并把铁心夹紧后铁心四周刷漆烘干，使铁心粘紧通电不发声，到此变压器返修完毕，可以放心安放到设备上运行。

2.新设计一台能耗制动变压器：

<1）.已知条件：

采用磁密为10000高斯的热轧硅钢片，制动对象为7KW交流异步电动机，直流电流Id=4Io<7KW电机空载电流为6A）=4×6=24A，直流电压Ud=Id×Rd<电机线圈直流电阻1Ω）=24×1=24V。

<2）.按电感负载单相桥式整流有关系数计算：

交流电压U=24÷0.9=27V,交流功率P=27V×24A=648VA<也可以交流功率P=24V×24A×1.11=640VA。

经常启动制动但不是连续工作，暂载率可取50%，不太经常取30%，取一半功率P=640VA÷2=320VA,采用前面的铁心计算公式，St=1.4√320=1.4×17.9=25cm²,每匝电压=25mm²×10÷450=0.557V/匝<10为10000高斯，450为50HZ时的系数）。

热轧硅钢片磁密可取14000左右，冷轧硅钢片取16000~17500高斯，磁密变动后每匝电压=25×15÷450=0.833V/匝，当f=60HZ时，每匝电压Et=25mm²×15÷375=1.0V/匝，当f=50KHZ时，Et=25mm²×15×50k×10¯³/22500也可Et=25mm²×15×1000÷450=834V/匝<故频率越高铁心越小）。

380V÷0.57=682匝，27V÷0.57=49匝，320VA÷27V=11.85A，320VA÷380V=0.842A。

<3）.电流密度及导线选取：

在空气中自冷的漆包铜导线电密取2~2.5A/mm²。

在油中自冷的纸包铜导线电密取3.5~4.5A/mm²。

在空气中自冷的双玻璃丝包线电密取3.5~4.5A/mm²

高压导线截面选取=0.842A÷2.5A/mm²=0.337mm²，QQ铜漆包导线Φ0.67/Φ0.75<实有面积0.3526mm²）。

低压导线截面选取=11.85A÷2.5A/mm²=4.74mm²,QQ铜漆包导线Φ2.44/Φ2.74<实有面积4.676mm²）。

<4）.导线及绝缘在窗口内的排布：

第一步：

铁心选宽150mm高125mm中柱宽50mm窗口高75mm宽25mm，铁心有效面积25cm²,实际面积=25÷0.95=26.3mm²铁心厚度=26.3÷5cm=53mm。

第二步：

预计绕组骨架，用2mm玻璃布板，这样窗口面积由75×25变成71×23，高压导线排列=71÷Φ0.75×1.05<余量系数）=90根，682匝÷90=7.6≈8层。

低压导线排列=71÷Φ2.74×1.05=24匝，49匝÷24匝=2.04≈3层<当然遇到这种情况还可以调整铁心尺寸）。

第三步：

计算高低压绕组幅向宽度，高压幅向=8层×Φ0.75×1.05=6.5mm，低压幅向=3层×Φ2.74×1.05=9mm，层间绝缘用0.12mm厚电缆纸，绝缘厚度=<11×2层+5层）×0.12=3.5mm，总幅向=6.5+3.5+9=19mm。

以上设计不是最佳方案，如是一台还可以，是批量生产得反复调整直到最佳，也就是用料最省，成本最小，线包绕好后的工序同返修变压器一样。

<5）绕制时的其它注意事项：

在绕制较小变压器时，原线直接引出容易折断，这时引出头用粗导线引出。

需要电磁干扰屏蔽的变压器在高低压绕组之间放上一层铜或铝箔，由于它引出接地，它与高压绕组之间的绝缘厚度等于高低压之间绝缘厚度，它与低压之间绝缘厚度相应薄一些。

金属箔首尾不留间隙但必须用绝缘隔开，不得形成短路回路。

二，焊机类变压器设计

1，        点焊、对焊等低压只有一匝的变压器设计

它与磷铜焊机一样具有输出电流大阻抗低的特性，所不同的磷铜焊机低压为3~5匝，它们铁心外形尺寸是高≥宽的日字形，如果宽≥高为高阻抗特性，输出电流小不好用或用不成。

点焊机、对焊机为了焊接不同厚度的铁皮和对焊不同粗细的钢筋，它的低压电压要在较大的范围内变化，因低压只有一匝，只能在高压匝数上变化。

高压绕组分成几个单元，通过不同的串并连来改变低压电压，无论那种串并连，高压每个单元绕组全都得利用。

点焊、对焊机还有一个特点就是不连续工作，存在一个暂载率问题，所以在铁心截面计算及导线截面计算上都得乘上一个暂载率系数。

下面设计一台25KVA的点焊对焊机，暂载率取40%，冷轧硅钢片磁密取17500高斯。

用第二种铁心截面计算公式St=3×√25√0.4/0.175=68.2cm²，匝压Et=68.2cm²×17.5/450=2.65V/匝，式中√0.4在√25内进行计算，为了便于计算，式中0.175和17.5均是17500高斯。

高压匝数=380V÷2.65=143匝。

高压电流=25KVA÷380V=66A，换算后=66A×√0.4=42A。

导线截面=42A÷3.5A/mm²=12mm²。

高压导线串并连形式多样，可以发挥自己的想象能力。

低压电流=25KVA÷（2.65×1.05>=8985A，1.05为阻抗压降系数。

换算后=8985A×√0.4=5683A，导线截面=5683A÷5=1136mm²。

铁心窗口假设高200mm，铜皮宽195mm，铜皮厚度=1136mm²÷195mm=5.83mm，铜皮张数=5.83mm÷0.3=20张，铜皮长度视结构而定。

象这种多单元高压绕组又串又有并时，使用圆导线只能并绕，使用扁导线应当叠绕，叠绕就得换位，否则就会出现环流问题。

此类变压器诸如铁心尺寸具体选定，导线及绝缘的排列，铁损，铜损的具体计算参照下面要说到磷铜焊机变压器。

三，磷铜焊机类

1，        磷铜焊机技术参数：

型号LT-35/0.38，容量35KVA，高压380V，高压电流92A，低压8.5V，低压电流4118A，负载持续率20%，冷却方式，空气自冷。

2，        磷铜焊机计算单：

1），铁心截面St=3×√35√0.2/0.17=70cm²，铁心中柱取Φ105mm，铁心截面79cm²,铁心有效截面=79÷1.053=75cm²。

2），每伏匝压=75cm²×17/450=2.833V/匝。

高压匝数=380V÷2.833=134匝，另一抽头为150匝，低压电压=2.833×3=8.5V，高压电流=35KVA÷380V=92A，低压电流=35KVA÷（8.5V×1.04>=3959A。

3），高压导线线规=2.6×5.3/3.2×5.9双玻璃丝包，截面=13.5mm²，高压导线电密=92A×√0.2/13.5mm²=3.037A/mm²。

高压绕组平均直径为Φ132mm，高压绕组周长=132×3.14=0.4145m，高压导线长度=0.4145×150匝=62.2m。

4），高压直流电阻R=0.02135×62.2m/13.5mm²=0.098368Ω，0.02135为铜导线在75℃时的电阻系数。

5），高压导线铜损Ｐ=92²Ａ×０.98368Ω=833Ｗ，

   高压导线重量=8.9×62.2m×13.5mm²×10¯³=7.5kg。

8.9为紫铜导线的比重。

6），低压导线线规13×40=520mm²，电密=3959A×√0.2/520mm²=3.4A/mm²,低压导线平均直径Φ176.5mm，低压导线长=176.5mm×3.14×3+200mm=1.863m。

7），低压直流电阻R=0.02135×1.863/520=0.000076475Ω，

8），低压铜损=3959²A×0.000076475Ω=1.2KW，因低压绕组在外，散热条件好，电密取得比高压绕组大点，故铜损也大些。

低压导线重量=8.9×1.863m×520mm²×10¯³=8.622kg。

9），铁心损耗：

中柱重量=75cm²×200mm×7.65kg/cm³×10¯4=11.475kg，7.65为硅钢片比重，四周边柱面积97mm<厚度）×0.95<系数）×50mm<宽度）=46cm²，边柱重量=46cm²×（2×300mm+2×200mm>×7.65kg/cm³×10¯4=35.19kg，铁心总重=11.475kg+35.19kg=46.7kg，铁损P0=1.4×46.7kg×1.57=103W，1.4为系数，1.57为较好硅钢片每公斤铁损瓦数，差一点为2.57。

 10），铁心窗口面积选取计算：

铁心为日字形，宽=高=300mm，单个窗口面积=200mm×50mm，中柱φ105mm，边柱宽度=50mm。

高压窗口高度：

5.9mm<导线宽）×<30匝+1）×1.05<余量系数）+2×2<端绝缘）+2×2<通风间隙）=200mm。

高压幅宽=3.2mm<导线厚度）×5层×1.05+0.12×10=17mm。

高压窗口宽度：

5mm<内径风道玻璃布板撑条）+1mm（围板>+12mm<高低压冷却风道+17mm<高压幅宽）+13mm<低压导线厚度）+2mm<低压导线与边柱绝缘距离）=50mm。

低压轴向高度=40mm（导线宽>×<3匝+1）+3×10.7mm<匝间绝缘实配）=192mm，低压窗高=192mm+2×2+2×2=200mm。

3,        其它注意事项：

1），低压导线也可用合适的废导线并叠在一起绕制，绕前应把多根导线稍加焊接便于绕制，但两引出端最好用小块铜板焊上，为了接触良好，同时也降低了成本。

2>，铁心应有接地片，脚踏开关应用36V电源，应有推把和轮子。

3），380V高压匝数正常为134匝，用150匝时可用小焊钳焊接小截面导线。

4），绕制低压线包时，注意反弹，用小点直径模子绕。

5），变压器经浸漆烘干实验无问题后，铁心线包整体刷漆，防部件运行时松动，尤其低压绕组匝间垫块。

6），在电器元件罩子上再设计一个工具盒，好放焊条石棉绳等物。

7），在使用中应了解焊机输出电流的大小，使用者满意程度，以便下次调整设计方案。

磷铜焊机完整图纸在我的博客已有，只是画面小不太清楚，真要仿制可两面参考。

三， 电弧焊机类变压器设计

电弧焊机不同于点、对、磷铜焊机，区别1：

电弧焊机空载时电压50～70V，而焊接时电压为20～30V，大焊机空载电压会更高，小的会更低。

空载电压高方便引弧，象氩弧焊机专门配有3000V引弧电压。

而点、对、磷铜焊机空载与使用时电压变化很小，如同电力变压器一样。

区别2：

点、对、磷铜焊机由漏磁产生的阻抗压降通常只有4～5%。

而电弧焊机靠变压器自身漏磁产生的阻抗压降，是远远满足不了这类焊机的需要，还得另外想办法增加它的阻抗压降。

所以此类焊机在一侧铁心柱上套上高压包及低压包，另一部分低压包则独自套在另一铁心柱上，以增加这一部分低压绕组的电抗压降，这一部分绕组虽也产生匝压，增大低压的电压，但因为它远离高压包，高压包与这部分低压绕组会产生较大的漏磁，也增大了它们之间的电抗压降，纯绕低压的这一部分绕组还设有1～2抽头，可调整电抗压降使输出电流可大可小，远离高压绕组的另一部分低压绕组，在焊接时不接入则输出电流为最大。

较大一些焊机还在两铁心柱之间增加一个可以滑动的调节铁心，当把它滑动到中心位置时，它会把磁路短接，让一部分磁路走近路，这样变压器的漏磁会变小，电抗也变小，输出电流变大，这种情况适用于大电流、粗焊条、焊较厚的钢板。

可调铁心全部退出，再把没有高压包那一侧低压绕组全串上，则因漏磁大电抗大，使输出电流变小，此情况适合用细焊条焊接较薄的钢板。

我曾设计制造过一台这种焊机：

铁心尺寸299mm×299mm，片长237mm×片宽62mm，总厚100mm×4，活动铁心片173.6mm×100mm，厚52mm，封片料299mm×62mm，4张。

铁心截面St=3×√18.5KVA×√0.4/0.175=58.64cm²,实有面积=58.64cm²×0.95≈62cm²,铁心截面=宽62mm×厚100mm。

匝压=58.9cm²×17.5/450=2.29V/匝

380V÷2.29V=166匝，  220V÷2.29V=96V<适用两种电压），

在高压绕组外绕的低压包为6匝×2组，另一个低压绕组为11匝+15匝，接法Ⅰ电压=（11匝+15匝+6匝>×2.29=73.V<小电流接法），接法Ⅱ电压=<15匝+6匝+6匝）×2.29V=62V<大电流接法）。

导线规格及电密，铁心窗口布局同磷铜焊机，只是中间可调铁心结构设计比较麻烦。

四， 电焊铜焊两用机

尽管前面说过点焊、对焊、磷铜焊机与电弧类焊机有诸多不同，能不能把它们融合在一起呢！

实践证明是可以的，我现在保存着一台大的焊机就是电焊铜焊两用焊机，使用效果挺好，最适合电器修理门市部，在利用率不高的情况下，同时拥有两台焊机，即占资金也占地方。

焊机型号：

BX9-250（为输出电流值>，频率：

50Hz，输入电压：

380V/220V，容量：

15KVA/12KVA，电焊机持续率为40%，输出电流：

250A/200A，铜焊机持续率为20%，输出电流：

1500A/1200A。

 下面是把电焊机变成电焊铜焊机两用机的步骤：

   1，把高压外绕的12匝低压分4组引出，每组3匝×2.29V=6.8V，把4组互不相连的8根线引到接线板上，按需要进行并串连。

 2，铜焊时低压4组并联，滑动铁心全部摇进，另一侧绕组不接。

 3，铜焊钳小的象手钳，两活动部件应绝缘，两端部卡进炭精，炭精与金属卡板斜面紧密接触，防干活时掉下，电流小卡板用黄铜，电流大卡板用铁的，用长度截面合适的多股软导线引到焊机上，接线螺栓螺母全部用铜材。

五， 整流变压器设计

1，带有平衡电抗器的双反星形可控整流变压器的设计：

此种变压器的优点：

在电解、电镀设备中经常需要低电压，大电流的可调直流电源，在钢厂连轧机拖动电机中也需要很大的直流功率，这时都需要大容量可控整流设备。

在大容量整流中，需要高电压就存在闸流管子串联的均压问题，要大电流就存在闸流管并联均流问题，大容量可控直流还必须设法解决直流电压脉动和高次谐波，才能提高电压质量，减少设备对电网的危害问题。

而带平衡电抗器的双发星形可控整流电路的特点正好就满足这种低电压大电流场合的需要，它的特点1，二次低压绕组分成两个绕组，都为星形但接到管子的同名端相反，构成两个相反的星形，所以叫双反星形。

特点2，两个二次绕组的中心点通过平衡电抗器连接在一起，其中平衡电抗器是一个带有中心抽头的绕在铁心上的两组铜排。

1），整流变压器已知参数：

变压器规格型号：

ZHSK－400/0.5，配套整流柜子：

KHS01－3150/72，Id＝3150A，Ud＝72V，控制角α＝0°。

2），求整流变压器未知参数：

二次侧线电压U?

=<72V÷1.17）×1.135×√3=121V，其中1.17为三相半波电压换算系数，1.135为电压损失系数，它包括变压器的阻抗压降6～8%，它占大头，次台阻抗压降设计值为7.01%，阻抗压降值是由变压器使用单位或设计部门提出一个较小范围，其它压降还包括晶闸管、引线铜排及平衡电抗器产生的压降，变压器高压有分接开关的，这些值可以估算。

二次侧电流I?

=3150A×0.289=910.4A，其中0.289为三相半波电流换算系数。

二次侧也为阀侧容量S?

=3150A×72V×1.135×1.48=381KVA，1.135为压降系数，1.48为三相半波电感负载二次侧容量换算系数。

一次侧也叫网侧，电压由用户确定。

一次侧容量S?

=3150A×72V×1.135×1.05=270KVA。

为什么在电力变压器上二次侧容量几乎等于一次侧容量，中间只差铁损和铜损，例如100KVA的电力变压器，当cosφ=1时，假设Po+Pk=2%，那么二次侧只能输出98KVA，这个百分比随着变压器容量增大而减小。

而该种整流变压器，一次侧计算容量为270KVA，二次侧计算容量高达381KVA，不是该种变压器能放大功率，而是整流电路有控制角时，二次侧流过的是缺角的正弦波，在畸变的波形中含有直流分量和交流分量，交流分量可以通过变压器的一次侧进行能量交换，而直流分量则只能在变压器二次侧内部流动，如果两侧按同容量同电密进行设计，其结果二次侧绕组及引线铜排的温度会大大超过标准值，这就是两侧容量不同的原因所在。

一次侧电流=270KVA÷<380×√3）=410.2A

变压器计算容量也为平均容量系数=1.485+1.05=1.26

平均容量=1.26×3150A×72V×1.135=326KVA

也可以=（270KVA+381KVA>÷2=326KVA

实际容量=326KVA+48KVA=374KVA（48KVA为下面将要计算的平衡电抗器容量>

变压器型式容量因接近国家规定的容量等级400，所以定为400KVA。

阻抗压降的计算：

一般同容量同电压等级整流变压器的阻抗压降要大于电力变压器，次台用户给的阻抗压降范围是6～8%，设计结果为7.1%。

设计计算时把线包的高与宽套进阻抗计算公式，计算结果超出上下限，就得重新调整线包的高和宽直到满意。

铁心与线包细高阻抗就小，铁心与线包矮粗阻抗就大，如果设计的变压器违背这个原则，轻则不好用重则不能用，有关阻抗压降的详细计算将在后边的三相电力变压器设计中谈到。

通常没有抽头的小型整流变压器，影响压降的因素要计算的细而全，而带有分接抽头的大一些整流变压器只需要大概估算一下。

此种整流变压器分接抽头3～5个，高压每相一个线包，抽头6～13就得把高压分成主包和调压线包两种线包。

从整流线路看低压线包为两个线包，实际上把两个线包交叉绕在一起，构成一个双饼式线包，在引出铜排时同相两个首头电角度相差180度。

变压器制造厂在设计内外引出铜排时，都是按行业标准选取电密<但也有例外，见我的博客变压器故障分析第九章第76个问题：

图省钱修改变压器图纸造成返工一文），绝对没有多余的，使用单位在选取连接铜排时截面应大于制造厂家的截面，但有些用户正好相反，看来当时省钱，但投产后每时每刻都在你的钱袋子抽取比当时省下的多若干倍的钱。

3）、平衡电抗器设计计算：

平衡电抗器结构为口字型铁心两侧绕的两组铜排线包匝数相等，使两边电感量相等。

流过它的电压波形为3倍基波，即150HZ的近似三角波。

在它两组线包产生的不平衡电流通过两组星形线包及闸流管构成回路，而不流经负载，这个电流被称为环流或平衡电流。

为了使两组电流尽可能平均分配，一般应使平衡电抗器的电感量足够大，把环流限制在负载额定电流的1～2%之内。

设置平衡电抗器是为了保证两组三相半波整流电路同时导电，使每组承担一半负载，因此与三相桥式整流电路相比，在采用相同闸流管的条件下，双反星形带平衡电抗器的输出电流可大一倍。

如果没有平衡电抗器，相当6相半波整流，任一瞬间只有一个管子导通，其它5个管子均承受反压而阻断。

作为6相半波整流，因管子导通时间短，变压器利用率低，体现不出供应大电流的优点，故极少采用。

所以有无平衡电抗器是区别双发星形和6相半波电路的关键，我厂造的整流变压器很多都是带平衡电抗器的，故认识它很有必要。

现总结一下带平衡电抗器的双发星形整流电路有如下优点：

1、双发星形为两组三相半波整流电路的并联，而且需要平衡电抗器，使整流输出电压脉动比三相半波小，与6相半波一样。

2、解决了半波整流电路中的直流磁化问题。

3、与三相半波相比，变压器利用率提高了一倍。

4、管子导电时间比6相半波增加了一倍。

1）、平衡电抗器已知参数：

二次侧相电压=121V÷√3=69.86V，直流支路电流=3150A÷2=1575A

2）、求平衡电抗器未知参数：

电抗器的端电压=69.86V√（1-0.827>×COS2α（α=0时COS2α=1>=69.86V×0.416≈30V

电抗器容量=30V×1575A=47.25≈48KVA

电抗器匝压=Ke<取1.1）×√48KVA=7.62V

电抗器匝数=30V÷7.62V=3.94≈4匝，每支路两匝

电抗器铁心截面=15×匝压÷磁密=15×<30V÷4匝）÷<0.95×0.8）=148cm²（注：

早年硅钢片质量不好时取的磁密，0.95T=9500高斯，由于电抗器坐在主变上铁轭上，因温度扁高故取正常值的0.8倍，148cm²为有效值，实际截面=148cm²÷0.95=154cm²,0.95为系数>

最后确认磁密=（30V×104>÷（4.44×150Hz×4匝×148cm²=0.76，与0.95×0.8=0.76相符。

电抗器线包用铜排8mm×60mm，电密=1575A÷8×60mm=3.28A/mm²,略小于主变电密。

电抗器铁心尺寸：

外正方形264mm×264mm，内正方形64mm×64mm。

电抗器铁心窗高：

60mm+2×2mm=64mm，窗高：

8mm×4匝+5×6mm+2mm=64mm。

较大三相整流变压器的铁心采用圆柱形，它的铁心截面、窗口面积、线包尺寸、导线的选取、Io、Po、Pk、Uk、温升等都得详细计算，具体这些计算参见后面将要说到的三相电力变压器设计。

2、不可控三相桥式整流变压器设计：

1）、整流变压器已知参数：

直流电压Ud=460V，直流电流Id=1000A

2>、求整流变压器未知参数：

二次侧电压U?

=<460V÷2.34）×√3×1.1=375V，<2.34为三相桥式整流电路电压换算系数，1.1为变压器阻抗压降、整流二极管压降、引线铜排压降之和系数）。

二次侧电流I?

=1000A×0.816=816A，<0.816为三相桥式整流电路电流换算系数）。

变压器二次侧容量P?

=1000A×460V×1.1×1.05=531KVA，<1.05为容量换算系数）。

变压器一次侧容量P?

=375V×816A×√3=530KVA。

通过上述两种不同类型整流变压器容量计算，可以看出三相桥式不可控，整流后的脉动直流畸变不大，一二次侧电能几乎全部可以进行交换，不存在那侧容量大那侧容量小的问题。

有的用户要求整流变压器的直流电压直流电流变化范围较大，制造厂把高压设计成13～27档，它们使用的是有载开关，而3～5档使用的是无载开关。

3～5档可在高压线包上直接抽头，13～27档则拥有独立的调压线包，还可以进行正反调压使调压范围更大。

用食盐水进行电解产生氢氧化钠的整流变压器电压在60～105%范围内，用13档就可以，电解铝、锰、锌