小型单相变压器设计与相关计算

小型单相变压器设计1、小型单相变压器简介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。

1.1 变压器的基本结构1、1、1主要组成(1) 铁心为了减少铁损耗，变压器的贴心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶体片制成。

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，乡邻两层硅钢片的接缝要相互错开。

（2）绕组变压器的绕组用绝缘导线或扁导线绕成，实际变压器的高，低压绕组并不是分装在两个铁心柱上，而是同心地套在同一个铁心柱上的。

为了绝缘的方便，通常低压绕组在里面，靠近铁心柱，高压绕组套在低压绕组外面。

（3）其他除铁心和绕组外，因容量和冷却方式的不同，还需要增加一些其他部件，例如外油绝缘套等等。

1、1、2主要类型按相数的不同，变压器可分为单向相变压器和三相变压器等。

按每相绕组数量的不同，变压器可分为双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器和自耦变压器等。

按结构形式的不同，变压器可分为心式和壳式两种。

心式变压器的特点是绕组包围着铁心。

脆变压器用铁量较少，构造简单，绕组的安装和绝缘比较容易，多用于容量较大的变压器中。

壳式变压器的特点是铁心包围绕组。

脆变压器用铜量少，多用于小容量变压器中。

2、 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，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1N ，副绕组匝数为2N 。

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1u ，产生电流1i ，建立磁通 ，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势21e e 和。

当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（Í0），这个电流称为激磁电流。

当二次侧加负载流过负载电流Í2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流Í0，一部分为用来平衡Í2，所以这部分电流随着Í2变化而变化。

当电流乘以匝数时，就是磁势。

上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。

2、1 电压变换当一次绕组两端加上交流电压1u 时，绕组中通过交流电流1i ，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φ。

（1-1）（1-2）（）（1-3）（1-4）说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。

2、2 电流变换变压器在工作时，二次电流2I 的大小主要取决于负载阻抗模|1Z |的大小，而一次电流1I 的大小则取决于2I 的大小。

2211I U I U = 又 （1-5）KII U U I 22121==∴ （1-6）说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。

2.3 阻抗变换变压器的二次绕组接有阻抗模|Z L |的负载时，若忽略Z 1，Z 2和I 0，则 |Z L |=U 2/I 2=U 1/ (K 2*I 1)U 1与I 1之比相当于从变压器一次绕组看进去的等效电阻模|Ze|=k 2|Z l | 可见，当负载直接接电源时，电源的负载阻抗模为|Z L |，通过变压器接电源时，相当于将组抗模增加到|Z L |的k 2倍，在电子技术中经常利用变压器的这一阻抗变换作用来实现“组抗匹配”2、4电压比N1——一次侧绕组的匝数； N2——二次侧绕组的匝数。

当N1＞N2时，Ku ＞l ，此时U1＞U2．这时的变压器称为降压变压器。

当N1＜N2时, Ku ＜1，此时U1＜U2，这时的变压器称为升压变压器。

3、 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。

3、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。

3、1、1 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=η2S （单位为V ·A ） （3-2） 式中 S 1——变压器的额定容量；η——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，可供计算时初步选用。

表3-1 小容量变压器计算参考数据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I U IU I U S nn +++= (3)3222（3-1）式中 S 2——二次侧总容量（V ·A ）U 2,U3,……U n ——二次侧各个绕组电压的有效值（V ）；I 2,I3,……I n —— 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A ）。

3、1、3确定变压器的额定容量变压器的二次容量为式中 S2——变压器二次容量，VA ：U2、U3、…Un ——二次各绕组电压有效值，v ； I2、I3、…In ——二次仍各绕组电流有效值．A 。

变压器在传递功率过程中，本身存在着铁损和铜损，故一次容量比二次容量大。

式中 η——变压器的效率。

η总是小于1，变压器的容量越小，η也越小，v 的数值见表1:表1：小容量变压器效率值变压器的额定容量：3、2 铁心尺寸的选定3、2、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㎝2）。

A K0（3-5）SA——铁心柱的净面积，单位为cm2K0——截面计算系数，与变压器额定容量S n有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时K0可取小些截面积计算系数K0表3-2截面积计算系数K0的估算值计算心柱截面积A后，就可确定心柱的宽度和厚度，根据图3可知K c=（3-6）=A'abab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，K c =0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，K c=0.95。

按A的值，确定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.2~2.0)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。

44 50 58 64 22252832667584961321501681921101251401603、3 绕组的匝数与导线直径．3、3、1计算每个绕组的匝数设Ni表示变压器每感应1V电动势所需绕的匝数，即关于Bm值，不同的硅钢片是不一样的，当变压器容量在100vA以下，通常冷轧硅钢片DW240—35、DW265—35的Bm取1.0—1.2T；当变压器容量为100一1000VA时，Bm可取1.2—1.5T。

当变压器容量在100vA以下，热轧硅钢片DR320-35、DR280-35、DR360-50、DR315-50的Bm取0.8—1.0T；当变压器容量为100—1000VA时，Bm取1.0一1.2T。

如果不知道硅钢片的牌号，按经验可以将硅钢片扭一扭，如硅钢片薄而脆，则磁性能较好(俗称高硅)，Bm可取得大些；若硅钢片厚而软，则磁性能较差(俗称低硅)，Bm值可取得小些。

一般Bm可取在0.7—1.0T之间。

设计时二次侧的绕组应增加5％的匝数，以便补偿负载时的电压降。

3、3、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=2—3A/mm2。

对于连续工作时可取J=2.5A/mm2导线的截面积：A c=I/j.导线的直径：mmjIjId13.14==π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。

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')]4~2([9.0d h N c -=（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； （2～4）——考虑裕度系数。

各绕组所需层数为c Nm N =（3-12）各绕组厚度为()i i i i t m d δγ'=++ （3-13）i=1,2,…,n式中 σ——层间绝缘厚度（mm ），导线较细（0.2mm 以下），用一层厚度为0.02～0.04mm 白玻璃纸，导线较粗（0.2mm 以上），用一层厚度为0.05～0.07mm 的电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线，可用厚度为0.12mm 的青壳纸；γ——绕组间的绝缘厚度（mm ），当电压不超过500V 时，可用2～3层电缆纸夹1～2层黄蜡布等。

绕组总厚度为)2.1~1.1()...(210⨯++++=t t t t n t （3-14）式中 t 0——绕组框架的厚度（mm ）； 1.1～1.2——考虑裕度的系数。

计算所得的绕组总厚度t 必须略小于铁心窗口宽度c ，若t>c,可加大铁心叠装厚度，减小绕组匝数或重选硅钢片的尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。