电气工程课程设计..pdf
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1、0 第0页 电机学课程设计 总结报告 课题名称: BK-250 变压器设计 专业:电气工程及其自动化 班级: 11电气本二班 学号: 1101230235 姓名:夏明志 指导教师:陈林 机械工程学院 2013年 12 月 1 第1页 目录 1、课程设计基本任务 2 2、变压器的概述 3、BK系列单相变压器的设计 2 3.1 变压器工作原理 2 3.2 变压器基本结构 3 4、变压器基本设计内容 .4 4.1 电压参数 4 4.2 铁芯尺寸的确定 5 4.3 绕组匝数与导线直径 7 4.4 绕组排列及铁芯尺寸的最后确定8 5、BK-250小型变压器实例设计 9 5.1 输入输出容量 9 5.2
2、铁芯尺寸 9 5.3 绕组匝数 9 5.4 导线直径 .10 5.5 窗口面积 .11 5.6 层间绝缘方法 .12 5.7 外形安装尺寸的确定 13 结论.14 心得体会 .14 谢辞.15 主要参考文献 .15 成绩评定表 .17 2 一. 课程设计基本任务 一、课程设计题目: BK-250变压器设计 二、设计要求 各小组成员协作分工,独立完成。通过该设计,初步掌握小型变压器容量、铁心、绕 组等设计步骤和方法,熟悉有关规程和设计手册的使用方法。 三、设计的主要内容 1、输入输出容量的确定 2 、铁心尺寸的确定 3 、绕组匝数与导线直径 4 、绕组排列及铁心尺寸的最后确定 6 、绝缘方法的确
3、定 7 、装配尺寸的确定 8 、讨论说明 9 、整理成册 3 二. 变压器的概述 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。 一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈(Primamary coil);而跨于此线圈的电 压称之为 一次电压 . 。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压,是由一次线圈 与二次线圈间的匝数比所决定的。因此,变压器区分为升压与降压变压器两种。 大部份的变压器均有固定的铁心,其上绕有一
4、次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性, 大部份磁通量局限在铁心里,因此,两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些 变压器中,线圈与铁心二者间紧密地结合,其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝 数比相同。因此,变压器之匝数比,一般可作为变压器升压或降压的参考指针。由于此项 升压与降压的功能,使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附屑物,提升输电电压使 得长途输送电力更为经济,至于降压变压器,它使得电力运用方面更加多元化,吾人可以 如是说,倘无变压器,则现代工业实无法达到目前发展的现况。 电子变压器除了体积较小外,在电力变压器与电子变压器二者之间,并没有明确的分 界线。一般提供6OHz 电力
5、网络之电源均非常庞大,它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容 量。电子装置的电力限制,通常受限于整流、放大,与系统其它组件的能力,其中有些部 份属放大电力者,但如与电力系统发电能力相比较,它仍然归属于小电力之范围。 各种电子装备常用到变压器,理由是: 提供各种电压阶层确保系统正常操作; 提供系统 中以不同电位操作部份得以电气隔离; 对交流电流提供高阻抗,但对直流则提供低的阻抗; 在不同的电位下,维持或修饰波形与频率响应。阻抗其中之一项重要概念,亦即电子 学特性之一, 其乃预设一种设备,即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时, 其间即使用到一种设备- 变压器。 对于电子装置而言,重量和空间
6、通常是一项努力追求之目标,至于效率、安全性与可 靠性,更是重要的考虑因素。变压器除了能够在一个系统里占有显著百分比的重量和空间 外,另一方面在可靠性方面,它亦是衡量因子中之一要项。因为上述与其它应用方面的差 别,使得电力变压器并不适合应用于电子电路上. 4 三.BK系列单相变压器的设计 3.1 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( transformer)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
7、,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 1 N , 副绕组匝数为 2 N 。 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 1 u , 产生电流 1 i , 建立磁通, 沿铁心闭合,分别在原副绕组中感应电动势 21ee 和 。 (1) 电压变换 当一次绕组两端加上交流电压 1 u 时,绕组中通过交流电流 1 i ,在铁心中将产生既与一 次绕组交链,又与二次绕组交链的主磁通。 (1-2 ) (1-3 ) (1-4
8、) 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 2 I 的大小主要取决于负载阻抗模| 1 Z | 的大小,而一次电 流 1 I 的大小则取决于 2 I 的大小。 5 2211 IUIU又 (1-5 ) K I I U U I 2 2 1 2 1 (1-6) 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。 A.电压比: 变压器两组线圈圈数分别为N1和N2, N1 为初级,N2为次级 . 在初级线圈上加一交流电压, 在次级线圈两端就会产生感应电动势. 当N2N1 时,其感应电动势要
9、比初级所加的电压还要 高,这种变压器称为升压变压器:当N2N2 ,V1V2 ,该变压器为降压变压器. 反之 则为升压变压器. B.变压器的效率: 在额定功率时,变压器的输出功率和输入功率的比值,叫做变压器的效率,即 = x100% 式中中为变压器的效率;P1为输入功率,P2为输出功率 . 当变压器的输出功率P2等于输入功率P1时,效率 等于 100% ,变压器将不产生任何损 耗. 但实际上这种变压器是没有的. 变压器传输电能时总要产生损耗,这种损耗主要有铜损 和铁损 . 铜损是指变压器线圈电阻所引起的损耗. 当电流通过线圈电阻发热时一部分电能就转 变为热能而损耗. 由于线圈一般都由带绝缘的铜线
10、缠绕而成,因此称为铜损. 变压器的铁损包括两个方面. 一是磁滞损耗, 当交流电流通过变压器时,通过变压器硅 钢片的磁力线其方向和大小随之变化,使得硅钢片内部分子相互摩擦,放出热能,从而损 耗了一部分电能,这便是磁滞损耗. 另一是涡流损耗,当变压器工作时. 铁芯中有磁力线穿 过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且 成旋涡状,故称为涡流. 涡流的存在使铁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗. 6 变压器的效率与变压器的功率等级有密切关系,通常功率越大,损耗与输出功率就越 小,效率也就越高. 反之,功率越小,效率也就越低. 3.2 变压器的基本结构 1. 铁
11、心 1:铁心的作用和形式铁心是变压器的基本部件,由磁导体和夹紧装置组成,所以它有 两个作用。 在原理上,铁心的磁导体是变压器的磁路。它把一次电路的电能转为磁能,又由自己 的磁能转变为二次电路的电能,是能量转换的媒介,磁导体是铁心的主体。在结 构上,铁心的夹紧装置不仅使磁导体成为一个机械上完整的结构,而且在其上面套有带绝 缘的线圈,支持着引线,几乎安装了变压器内部的所有部件,所以它又是变压器的骨 架。 铁心的重量在变压器各部件中占有绝对的优势,在干式变压器中占总重量的60左 右 , 在 油 浸 式 变 压 器 中 由 于 有 变 压 器 油 和 油 箱 , 重 量 的 比 例 才 下 降 约 占
12、40 。 变压器的铁心(即磁导体)是框形闭合结构。其中,套线圈的部分称心柱,不套线圈只起 闭合磁路的部分称铁扼。 铁心分为两大类,不套线圈只起闭合磁路的部分称铁扼。 铁心分为两大类,壳式铁心和心式铁心。铁扼包围了线圈的称为壳式铁心,否则称心 式铁心,由带状硅钢片卷绕而成的称卷铁心。 壳式铁心一般是水平放置的,心柱截面为矩形,每相有两个旁扼,壳式铁心的优点是 铁心片规格少,心柱截面大而长度短,夹紧和固定方便,漏磁通有闭合回路,附加损耗小, 易于油对流散热。缺点是线圈为矩形,工艺特殊,绝缘结构复杂,短路能力差,尤其是硅 钢片用量多。 心式铁心的优缺点正好与壳式相反,壳式和心式两种结构各有特色,很难
13、断定其劣式。 但由其绝缘所决定的制造工艺则大有区别,一旦选定了某一种结构,就很难转而生产另一 种结构。正由于这个原因,国内都采用心式铁心,只有在小容量的单相变压器及特殊用途 的变压器中采用壳式铁心。 铁心用硅钢片 铁心用材质是电工硅钢片是在炼刚时加入(35)左右的硅,从而提高了钢片的导 磁率和电阻率,减少了钢片中的磁滞损耗和涡流损耗,这种材料由于软磁特性好而用于电 工产品中,所以称为硅钢片。 7 硅钢片表面具有双面耐热绝缘层,多采用磷酸盐涂层,每层厚度不超过3-4um,即使 经退火处理, 绝缘膜仍不致破坏,在压力为5kg/cm2 的情况下, 双面绝缘层表面电阻不小 于7052cm2 对 变 压
14、 器 铁 心 做 片 间 绝 缘 不 需 再 另 涂 绝 缘 层 。 此 绝 缘 膜 为 透 明 的 灰 色。 硅钢片的厚度一般为0.28-0.5mm 或更薄一些 ( 0.23 ,0.27 )我国冷扎硅钢片的厚度一 般为 0.35 ,0.3 和 0.27mm三种, 0.3mm用的比较普遍,做薄的目的是为了限制硅钢片的涡 流损耗。此外,硅钢片的涡流也产生磁场,这种磁场要减弱主磁场,硅钢片边缘的涡流磁 场较中间弱,因此造成磁通绝大部分沿表面通过,片中间部分实际上不起导磁的作用,因 此硅钢片越薄电磁性能越好,但太薄时,在相同铁心柱直径情况下,铁心叠片系数减小, 有效截面积相应降低,空载损耗增大,此外
15、铁心制造时片数增多,工时增加,经济效果也 差,根据生产实践经验,目前认为冷扎硅钢片厚度在0.28-0.35 mm范围内较为合 适。 电工钢片有热扎和冷扎两种,热扎的磁性能差,磁通密度只能达到1.5T-1.6T,而单位 损耗 P15/50 却大于 208W/KG已不采用, 冷扎电工钢片磁饱和点较高,磁密在 1.9-2.5时才 开始饱和。 磁性能好,饱和Bt 高,单位损耗和单位励磁容量小。现变压器均采用此材料(如果横 着轧制方向损耗将大三倍左右)片号中符号DW- 冷扎无取向硅钢片;DQ 冷扎取向硅钢片; 高磁密取向硅钢片; 符号后数字单位损耗值的100 倍 (DW 为 P15/50 的 100倍,
16、 DQ 为 P17/50 的 100 倍) ;横线后数字厚度mm 的 100 倍,如 DQ120G-30 30Q140 。 现还有经激当处理的高导磁硅钢片,型号为ZDKH ,通过激光束扫描照射,此畴变细, 进一步降低了铁心的空载损耗,一般可降PO(7-13)%; 非晶合金材料(金属玻璃,其厚度更 薄,损耗更低(约定冷扎晶粒取向的20-25) 3铁心常见故障1铁心噪音大2空载损耗,空载电流大3多点接地和局部过热 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。 3、 其它结构部件:储油柜、气体继电器、油箱。 8 图(3)单相心
17、式变压器 1铁柱; 2铁轭; 3高压线圈; 4低压线圈 四. 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。 4.1 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 S2=U2I2+U3I3+. (3-1) 式中 S 2二次侧总容量(VA) U2,U3, Un二次侧各个绕组电压的有效值(V) ;
18、 I2,I3, In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 1=S2/ (单位为VA)(3-2 ) 式中 S1变压器的额定容量; 变压器的效率,约为 0.8 0.9 ,表 3-1 所给的数据是生产时间的统计数据,可 9 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 S1VA 磁 通 密度 m B 10 4 T 效率 (% ) 电流密 度 )( 2 mmAj 铁心 计 算 中 的 K 0 值 小于 10 6000700
19、0 6070 32.5 2 1050 70008000 7080 2.52 21.75 50500 800011000 8090 2.51.5 1.51.25 5001000 1100012000 9092 1.51.2 1.251.1 (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=1/2*(S1+S2) (单位为VA)(3-3 ) (4) 一次电流的确定 I1=(1.11.2)S/U1(3-4 ) 式中 (1.1 1.2) 考虑励磁电流的经验系数,对容量很小的变
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