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1、摘要摘要：本次设计的课题是单相变压器，基本要求是输入电压范围在24V到60V，功率为100W的单相升压变压器。首先要了解变压器的工作原理、结构和分类，其次是变压器的设计步骤包括额定容量的确定；铁芯尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的确定。关键词：变压器 基本原理 设计步骤 目录摘要2前言21.变压器的工作原理及分类31.1变压器的基本工作原理31.2变压器的分类42.变压器的基本结构42.1铁芯52.2绕组52.3其他53.设计的内容53.1 额定容量的确定53.1.1 二次侧总容量63.1.2一次绕组的容量63.1.3变压器的额定容量63.1.4一次电流的确定73.
2、2铁芯尺寸的选定73.2.1计算铁芯截面积A73.3 绕组的匝数与导线直径93.3.1绕组的匝数计算93.3.2导线直径的计算93.4 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定114.结论12参 考 文 献18单相变压器的设计前言设随着科学技术进步，电工电子新技术的不断发展，新型电气备不断涌现，人们使用电的频率越来越高，人与电的关系也日益紧密，对于电性能和电气产品的了解，已成为人们必需的生活常识。变压器是一种静止的电气设备，它是利用电磁感应原理把一种电压的交流电能转变成同频率的另一种电压的交流电能，以满足不同负载的需要。在电力系统中，变压器是一个重要的电气设备，它对电能的经济传输，灵活分配和安全使
3、用具有重要的作用，此外，也使人们能够方便地解决输电和用电这一矛盾。输电线路将几万伏或几十万伏高电压的电能输送到负荷区后，由于用电设备绝缘及安全的限制，必需经过降压变压器将高电压降低到适合于用电设备使用的低电压。当输送一定功率的电能时，电压越低，则电流越大，电能有可能大部分消耗在输电线路的电阻上。为此需采用高压输电，即用升压变压器把电压升高输电电压，这样能经济的传输电能。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安；电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。如果按变压器的用途来分类，几种应用最广泛的变压器为：电力变压器、仪用互感器和其他特殊用途的变压器；如果按相数可以分为单相和三相变压器。
4、不管如何进行分类，其工作原理及性能都是一样的。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芯(构成磁路)和绕在铁芯上的两个匝数不同、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。单相变压器单极性开关电源，指输出为单极性，也就是只有正极、负极输出，相对于双极性开关电源说的，双极性开关电源有三条输出，分为正电源、负电源、地线。全波整流就是桥式整流，一个意思，说法不同而已。2006年全
5、国工业企业节电技术研讨会会议总结里说，单相变压器结构简单、体积小、损耗低，主要是铁损小，适宜在负荷密度较小的低压配电网中应用和推广。苏州市就累计使用1000多台，节电45 GWh，经验值得推广。有的资料显示单相变压器在发达国家得到广泛应用，例如美国、日本，单相供电制成为居民供电的主要方式，在这种宣传下，有些人因此而认为单相供电具有“降损”的魔力，认为单相变压器比三相变压器更节能，认为单相供电制比三相供电制更优越。其实不然，单相变压器与单相供电制只是当前三相供电制的补充形式，由于其自身特性的约束，它只能应用于某些特定的领域。效果更节能1 、单相变压器变损是否低？在以前关于介绍单相变压器及单相供电
6、技术的变压器利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。变压器的功能主要有：电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）;自耦变压器；高压变压器（干式和油浸式）等，变压器常用的铁芯形状一般有E型和C型铁芯，XED型，ED型CD型。1.分类变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将感应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。2.定义单相变压器即一次绕组
7、和二次绕组均为单相绕组的变压器。论文中，认为单相变压器比同容量的三相变压器空载损耗小、节能，并且变损低。事实如此吗？笔者看到有的论文列举出的应用实例，提到改造具有的经济效益时，用D10、D11甚至D12系列的变压器和同容量的S9系列变压器进行比较，例如提到同容量的D11单相变压器比S9三相变压器空载损耗降低得多，因此认为单相变压器比三相变压器运行更经济，其实这是个误解。举例时忽略了两者之间的技术层次上的差异，根据JB/T3837-1996变压器类产品型号编制办法，对变压器型号的编序的性能水平做了规定，凡大一号的性能参数要提高到一个新水平。例如D10系列变压器是根据S10变压器参数设计的，论证D
8、10或者D11等系列变压器的降低损耗的效果时，应选取同型号的S10或S11变压器进行比较，选取S9系列变压器作为参照物其实是不公平的。另外，普通S9系列变压器采用的是叠装式铁芯结构，而D10、D11等大多采用了卷铁芯结构：叠装式铁芯和卷铁芯存在工艺技术上的差别，卷铁芯结构克服了传统叠装铁芯结构中无法克服的缺点，例如在一张铁芯叠片中，沿外侧和沿内侧的磁路长度相差较大，使得磁通在铁片内不是均匀分布，并产生高次谐波，结果导致损耗增加。在三相铁芯中，铁轭和B相的芯柱交会区域内，由于三相磁动势的原因产生旋转磁场使损耗增加，在铁芯叠片彼此之间对接处有接缝，在此接缝区域内，有横向穿越叠片的磁通而使损耗增加。
9、因此，卷铁芯变压器比叠装铁芯变压器空载损耗小，空载电流小。为便于公平比较，本文引入变压器参数均采用网上公布的Satons公司变压器公司的变压器数据，表1为比较不同型号的节能效果，也列入S9型变压器数据。根据表1所示，我们可以看到，同是11型号的100 kVA容量的三相卷铁芯密封变压器与单相卷铁芯变压器除了重量明显差异外，技术指标差别并不明显。所以一直认为的单相变压器比三相变压器变损小、节能的结论是没有依据的。线损低2 单相供电方式是否线损低？根据电路原理，同样的距离输送同样的功率P ，功率因数为1，三相供电方式与单相供电方式的线路损失如下。假设使用同截面的导线，导线电阻为R。单相变压器两线方式
10、供电，输送功率P 时，相线、中性线中电流为I ，产生的线路损失为 P 单损 = 2I2R。三相变压器三相四线方式供电，输送功率P时，线路中相电流为I /3，理想状态下中性线无电流，相线 P 相损 =(I /3)2R = I 2R/9。本方式下线路损失为 P 三损 = 3(I /3)2R = I2R/3。通过计算可见，三相供电方式的线路损失是最低的，单相供电的方式比三线制的损耗高6倍。由此可见，单相供电方式在与三相供电方式在降低线路损失方面并无优势。意义1.用料少第一，相同容量的单相变压器比三相变压器用铁减少20%，用铜减少10%。尤其是采用卷铁芯结构时，变压器的空载损耗可下降15%以上，这将使
11、单相变压器的制造成本和使用成本同时下降，从而获得最佳的寿命周期成本。线路投资低第二，在电网中采用单相供电系统，可节省导线33%63%，按经济电流密度计算，可节约导线重量42%，按机械强度计算，可降低导线消耗66%。因此可降低整个输电线路的建设投资。这在我国地域广阔的农村和城镇的路灯照明及居民生活用电方面是很有意义的。2.利于现代化生产第三，单相变压器由于结构简单，适合大批量的现代化生产，有利于提高产品质量和效益。第四，适于引入新技术、新材料、新工艺，获得技术加分，党的十六届五中全会提出把节约资源作为基本国策，“十一五”规划纲要进一步把“十一五”时期单位GDP能耗降低20%左右作为约束性指标。在
12、这个大背景下，降损附加值高的新产品将大有所为。在线损理论计算时可以发现，80%的线路损失发生在20%的主干线上，因此缩短低压主干线距离，就可以大大减少低压线损，由于单相变压器重量轻，可以灵活安装在电杆上使用，便于深入负荷中心，就近降压供电，提高供电质量。一般单相变压器在小范围内供电，发生故障波及面小，利于提高供电可靠性。同时，因为单相变压器重量轻，安装维护方便，使用灵活，可以单相使用，也可以三台组成三相变压器使用。3.建设投资少变压器小容量化的代价轻负荷地区进行单相供电制建设，可减少建设投资。大负荷地区进行单相供电制的改造，必须有较大的经济投入。笔者看到，有的单相变压器在居民小区的试点，实行的
13、是将大变压器化成多个小变压器，临近负荷安装，缩短低压主干线距离，由于电源点到负载的距离是一定的，缩短低压供电距离，必然要延长高压输电距离，此种改造需要大量的投资，例如原来3个单元30户人家使用160 kVA三相变压器1台，改用3台50 kVA单相变压器供电，表2列出两种改造方案的用料及损耗变化，很明显的增加了建设投入。其一，为了减少低压主干线的线损，要将高压线路引入负荷中心，增加高压线路建设投资。其二，采用多台小容量变压器后的空载损耗和负荷损耗，都比原先单台大容量变压器多。其三，多台小容量变压器的购置资金也大于单台大容量变压器的购置资金。国外由于居民用电多，几家或者每家使用一台单相变压器，是因
14、为国家富裕，电力部门大量资金投入的结果。虽然投资较大，对于他们总的来说还是合算的。4.应用的局限性单相变压器应用的局限性首先，单相变压器由于电压单一，只能应用于照明或小型电机，应用范围具有局限性。而我国农村因有副业和作坊，不能广泛推广，即使用，也只是作为三相供电制度的补充使用。单相变压器得到应用，一是应用于深山区，居民分散，用电负荷小，基本没有动力应用，可大大减少线路投资；二是应用于路灯。其次，是单相变压器所引起的引高压进负荷中心容易受到人们的抵制。人们法制观念提高，对于居住环境的关心也非常重视，没有哪个业主愿意电业部门在门前树根“旗杆”，上面挂有变压器，带有高压电，并且还发出噪音。同时，房地
15、产商人只要求电力方便，他们却不愿意自己的蓝图里出现电力设施的影子。一是怕电磁辐射，二是怕危险，三是怕影响景观。电力部门收费到户，线路损失是电力部门的事情，业主与开发商没有义务为电力部门提供方便。5.单相变压器的应用单相变压器的应用在我国，单相变压器与单相供电技术一直在发展，早在20世纪50年代末就向国外出口过单相变压器。这些年来，科学技术的发展促进了单相变压器的发展，卷铁芯、非晶铁芯技术在单相变压器上应用，可大大减少变压器的铁芯损耗。根据分析，当城乡电网改造到一定程度后，网损中的线路损失占的份额将大大降低，配电变压器的空载损耗将占网损的主要地位。只有大幅度降低铁芯损耗，才能有望进一步降低电网的
16、电能损耗。因此，卷铁芯、非晶铁芯单相变压器具有巨大的发展潜力。 当前，三相变压器与三相集中供电制仍居主导地位，单相变压器与单相供电制只是其补充。在变压器的实际应用上，我们应充分利用三相变压器与单相变压器各自优势与特点，根据用电负荷情况选用适合的变压器品种，以经济供电半径配置电源1.变压器的工作原理及分类1.1变压器的基本工作原理 变压器是利用电磁感应原理工作的，如图1-1所示 图1-1变压器工作原理示意图 在一个闭合的铁芯上，套有两个绕组。这两个绕组具有不同的匝数且互相绝缘，两绕组间只有磁的耦合而没有电的联系。其中，接于电源测的绕组称为原绕组或一次绕组，一次绕组各量用下标“1”表示；用于接负载
17、的绕组称为副绕组或二次绕组，二次绕组各量用下标“2”表示。若将绕组1接到交流电源上，绕组中便有交流电流流过，在铁芯中产生交变磁通，与外加电压相同频率，且与原、副绕组同时交链，分别在两个绕组中感应出同频率的电动势和。 由式可知，原、副绕组感应电动势的大小正比于各自绕组的匝数，而绕组的感应电动势又近似于各自的电压，因此，只要改变一次或二次绕组的匝数比，就能达到改变电压的目的，这就是变压器的工作原理。1.2变压器的分类为适应不同的使用目的和工作条件，变压器中类很多，因此变压器的分类的方法有多种，通常可按用途、绕组数目、相数、铁芯结构、调压方式和冷却方式等划分类别。按用途分：有电力变压器（升压变压器、
18、降压变压器、配电变压器、联络变压器等）和特种变压器（如实验变压器、仪用变压器、电炉变压器和整流变压器等）。按绕组数目分：有单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。按相数分：有单项变压器、三项变压器和多项变压器。按铁芯结构分：有心式变压器和壳式变压器。按调压方式分：有无励磁调压变压器和有载调压变压器。按冷却介质和冷却方式分：有干式变压器、油浸变压器和充气式冷却变压器。2.变压器的基本结构变压器的基本结构部件有铁芯、绕组、油箱、冷却装置、绝缘套管和保护装置等。2.1铁芯铁芯是变压器的主磁路，又是它的支撑骨架。为了减少铁损耗，变压器的铁芯是用彼此绝缘的硅钢片叠成或用非晶材料制
19、成。其中套有绕组的部分称为铁芯柱，连接铁芯柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁芯在叠装时相邻两层硅钢片要相互错开。铁芯是变压器磁路部分。为减少铁芯内磁滞损耗涡流损耗，通常铁芯用含硅量较高的、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。铁芯结构有两种基本形式：心式和壳式。2.2绕组变压器的绕组用绝缘圆导线绕成，是构成变压器电路的主要部分。原、副边绕组一般用铜或铝的绝缘导线缠绕在铁心柱上。高压绕组电压高，绝缘要求高，如果高压绕组在内，离变压器铁芯近，则应加强绝缘，提高了变压器的成本造价。因此，为了绝缘方便，低压绕组紧靠着铁芯，高压绕组则套装在低压绕组的外面
20、。两个绕组之间留有油道，既可以起绝缘作用，又可以使油把热量带走。在单相变压器中，高、低压绕组均分为两部分，分别缠绕在两个铁芯柱上，两部分既可以串联又可以并联。2.3其他除了铁芯和绕组之外，因容量和冷却方式的不同，还需要增加一些其他部件，例如外壳、油箱、绝缘套管等。3.设计的内容计算内容有四部分：额定容量的确定；铁芯尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的最后确定。3.1 额定容量的确定变压器的容量又称表现功率或视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用VA表示。3.1.1 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
21、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：3.1.2一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式中-变压器的额定容量；-变压器的效率，取0.8，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VA磁通密度10T效率（%）电流密度铁心计算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902
22、.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.13.1.3变压器的额定容量由于本次设计是功率为100W的单项变压器，所以不考虑在三相变压器中的情况，只考虑单相变压器的情况。小容量单相变压器的额定容量取一、二绕组容量的平均值， 考虑到存在一定的损耗，可视变压器的额定容量近似取115VA3.1.4一次电流的确定 式中1.2是励磁电流的经验系数3.2铁芯尺寸的选定3.2.1计算铁芯截面积A为了减小铁损耗，变压器的铁芯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芯柱，连接铁芯柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁芯在叠装时
23、相临两层硅钢片的接缝要相互错开。图3-1铁芯的几何尺寸小容量变压器铁芯形式多采用壳式，中间芯柱上套放绕组，铁芯的几何尺寸如图3-1所示。小容量芯柱截面积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 ）。 A铁芯柱的净面积，单位为；截面计算系数，与变压器额定容量有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时可取小些截面积计算系数表3-2 截面积计算系数的估算值/VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0计算芯柱截面积A后，就可确定芯柱的宽度和厚度 式中 a芯柱的宽度（cm）； b芯柱的净叠厚（cm）；按A的值，确定a和
24、b的大小，一般取,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。表3-3 小型变压器通用的硅钢片尺寸ach H1316192225283238445058647.5910.51112.5161819222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.5708095110125140160所以根据表3-3可知，a可以近取28mm3.3 绕组的匝数与导线直径3.3.1绕组的匝数计算从变压器的电势公式A,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数式中 对应于每伏电压的匝数，单位：匝
25、/V 铁芯柱内工作磁密最大值，单位：T 铁芯柱截面积，单位：采用冷轧硅钢片时，可取=1.21.5T 根据N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 式中、 为各线圈的匝数。为补偿负载时漏阻抗压降，本次设计副边各线圈的匝数均增加了10%。3.3.2导线直径的计算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，对于一般的气自然冷却工作条件，J=23A/。对于连续工作时可取J=2.5/导线的
26、截面积： 导线的直径： 副边电流:导线截面：导线直径：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；根据计算出导线的直径查表3-4，可选原边材料厚度为0.11mm的高强度聚酯漆包线，副边材料厚度为0.06mm的高强度聚酯漆包线。因为高强度聚酯漆包线导电性能好，绝缘漆有足够的耐热性能，并且有一定的耐腐蚀能力，所以选用高强度聚酯漆包线。根据算出的导线直径查表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导线材料的选取裸线直径导线品种0.060.140.150.210.230.330.350.490.510.620
27、.640.720.740.961.01.741.812.022.1244高强度聚酯漆包线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0.250.270.270.283.4 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定：绕组的匝数和导线的直径经计算并确定后，就可以做绕组排列了。绕组每层所需的匝数为:式中 绝缘导线外径（mm）； h铁芯窗高（mm）； 0.9考虑绕组框架两端厚度的系数；（24）考虑裕度系数绝缘外径是裸导线的直径加上所选导线材料的厚度根据表4-3可知h=42，所以：原边绕组每层的匝数：副边
28、绕组每层的匝数：各绕组所需层数为：原边层数：副边层数：原边绕组的厚度为：副边绕组的厚度为： 层间绝缘厚度（mm），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），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12层黄蜡布等。绕组总的厚度为：式中1.1为裕度系数绕组的厚度约等于窗宽16毫米,此方案可行，绕组必须紧密缠绕。4.结论 通过上面的设计可知：一般的小容量单相变压器的计算内容有四个部分：容量的确定；铁心尺寸的选定；绕组匝数与导线直径的计算；绕组排列及铁芯尺寸的最后确定。本次设计单项变压器的一次侧容量为125VA,二次侧容量为100VA
29、,对于容量小的变压器，它的额定容量取一、二侧容量的平均值。铁芯尺寸选用芯柱宽度2.7cm,净厚度为5.4cm，截面积为14.5的冷扎硅钢片。在计算绕组的匝数时，要先计算每伏电压应绕的匝数，通过计算可知为2.6匝/V，所以原边绕组的匝数为89，副边绕组的匝数为973；计算导线直径时，要先计算导线的截面积，然后在计算直径。变压器的效率80%90% 。对小容量变压器应考虑内部压降，为使在额定负载时二次侧有额定电压应适当的增加二次侧绕组匝数，约增加5%10%的匝数。通过铜损的测定可知，小型变压器的的质量可以从他的空载损耗和短路损耗判断出来，越小越好，同时工作温度也会低 ，并有很好的负载，通过空载电流的
30、测定，铁损较大的变压器，发热量大，安培匝数设计要是不合理，空载电流会大增，就会造成温升增大，有损寿命。通过学习电机与拖动，对变压器有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次对单相变压器的毕业设计，我把学到的知识与实践相结合。从而对我所学的知识有了更进一步的理解。在此次的单相变压器的设计过程中，我更进一步地熟悉了变压器的设计方法和步骤，在选择材料时要注意的一些问题。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。参 考 文 献1肖兰，马爱芳主编,电机与拖动,中国水利水电出版社,2004年2劳动和社会保障部教材办公室组织编写,电机与变压器,中国劳动社会保障出版社3变压器制造技术丛书编审委员会编,变压器绕组制造工艺,变压器绕组制造工艺机械工业出版社4阎治安,崔新艺,商晓梅主编.电机学（含拖动基础）,西安交通大学出版社2008年8月5魏涤非,戴源生主编,电机技术,中国水利水电出版社,2004年8月6赵影主编,电机与电力拖动,国防工业出版社,2008年1月7张永飞主编,电机与电力拖动,西安电子科技大学出版社,2005年8乔长君 王洪明主编,实用维修电工手册,化学工业出版社,2006年12月20