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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。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(t ransformer )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N1,副绕组匝数为N2。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u 1,产生电流i1,建立磁通e, 沿铁心闭合,分别在原副绕组中感应电动势气和e2。(1)电压变换当一次绕组两端加上交流电压u 1时,绕组中通过交流电流i;,在铁心中将产生既与 次绕组交链,又与二次绕组交链的主磁通e。5 码 %()1-3)( 1-4 )1-2)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12的大小主要取决于负载阻抗模丨Z丨的大小,而一次电流 11的大小则取决于12的大小。又 U I = U I(1-5)1 1 2 21U作IK1-6)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)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3-1)S = U I + U I + + U I2 2 2 3 3 n n式中二次侧总容量(vA)二次侧各个绕组电压的有效值(V);1 2 , 1 3,n 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 为考虑到变压器中有损耗,所以一次绕组的容量应该为S 2-S1=耳(单位为VA)(3-2)式中S 1变压器的额定容量;“ 变压器的效率,约为0.80.9,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S1V A磁通密度Bm xio -4 t效率n(%)电流密度j(A/ mm 2)铁心计算中的K 0值小于106000700060 703 2.5210 507000800070 802.5 22 1.550 1008000900080 852.5 21.5 1.310050090001100085 902.5 1.51.3 1.255001000110001200090 921.5 1.21.25 1.1(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,S=1* (S1+S2)(单位为 VA)(3-3)2(4) 一次电流的确定S3-4)I = (1.1 1.2)1U1式中(1.11.2)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cm2 )。3-5)A = K S0A铁心柱的净面积,单位为cm2K 0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K 0可取小些截面积计算系数K 0 表3-2截面积计算系数K 0的估算值Sn/VA500K 21.75 1.51.35 1.25 算心 1.751.51.351.251.0积 A确定心柱的宽度和厚度,根据图 3可知计 柱截面 后,就可3-6)A = ab = abKc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);K c 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,K c =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 =0.95o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钢片尺寸。achAH137.522405060667584961143416924401910.53050221133552512.537.562.5281442703216488038195713215016895442266110502575125582884140643296192160表 3-3 小型变压器通用的硅钢片尺寸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=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数N N10 84.5 X103o E 4.44 f B A B A(3_7)mm式中N0 对应于每伏电压的匝数,单位:匝/VB铁心柱内工作磁密最大值,单位:T mA铁心柱截面积,单位:cm2当铁心材料国热轧硅钢片时,取B=1.01.2T;采用冷轧硅钢片时,可取B=1.21.5T mm然后根据 N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数3-8)3-9)3-10)N = N U1 0 1N = (1.05 1.10)N U2 0 2N =(1.05 i.io)N U3 0 3式中N、N N 各线圈的匝数。1 2n 为补偿负载时漏阻抗压降,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:A=I/j.c 11,7d =訂 | = 1.13| mm导线的直径:j /=0.715 J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;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 导线材料的选取螺u、线 导、直 线、径 品 、0.060.150.230.350.510.640.741.01.812.11.742.44种0.140.210.330.490.620.720.962.02咼强度聚酯漆包线0.030.040.050.060.070.080.090.110.120.13硅有机单玻璃丝包 线0.200.220.220.24硅有机双玻璃丝包 线0.250.270.270.284、绕组(线圈)排列及铁E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N =啊h - (2 4)cd ( 3-11 )式中 d绝缘导线外径(mm);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N3-12)m =N c各绕组厚度为t.= m.( d:+q)+丫(3-13)i=l,2,.,n式中b 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0.050.07mm的电缆纸(或牛皮纸), 更粗的导线,可用厚度为0.12mm的青壳纸;丫 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1 2 层黄蜡布等。绕组总厚度为t = (t + t + t + . + t ) X (1.1 1.2)0 1 2 n(3-14)式中 t 0绕组框架的厚度(mm);1.1
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