电气工程--小型单相变压器设计原理

东北石油大学

课程报告

2011年7 月15 日

目录

1、小型单相变压器 (1)

2、变压器的工作原理 (1)

2.1 电压变换 (1)

2.2 电流变换 (2)

3、变压器的基本结构 (2)

4、设计内容 (3)

4.1 额定容量的确定 (3)

4.2 铁心尺寸的选定 (4)

4.3 绕组的匝数与导线直径 (6)

4.4 绕组（线圈）排列及铁心尺寸的最后确定 (7)

5、实例计算 (8)

6、结论 (10)

7、心得体会 (10)

参考文献 (12)

附录 (13)

1、小型单相变压器

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[1]

。

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。

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

[2-4]

。

文献[5]所述，变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。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2N 。

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φ，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势21e e 和。

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）

（2）

（3）

（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 （5）

K

I

I U U I 22121==

∴ （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。

3、变压器的基本结构

变压器基本结构如图1所示。

图1 变压器绕组结构

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。

3、其它结构部件：储油柜、气体继电器、油箱。

图2单相心式变压器

1—铁柱；2—铁轭；3—高压线圈；4—低压线圈

4、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

I U I

U I U S n

n +++= (3)

3

2

2

2

（7）

式中， S

2——二次侧总容量（V ·A ）

U 2

，U

3，……

U

n ——二次侧各个绕组电压的有效值（V ）；

I

2

，

I

3，……

I

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

2

1S S η

=

（单位为V·A ） （8）

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。

变压器容量

S1V·A

磁通密度

m

B

×10

4-

T

效率η（%）

电流密度

)

(2

mm

A

j

铁心计算中的

K0值小于10 6000～7000 60～70 3～2.5 2

10～50 7000～8000 70～80 2.5～2 2～1.5

50～100 8000～9000 80～85 2.5～2 1.5～1.3 100～500 9000～11000 85～90 2.5～1.5 1.3～1.25 500～1000 11000～12000 90～92 1.5～1.2 1.25～1.1

(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=

2

1

*（S1+S2）（单位为V·A）（9）

(4)一次电流的确定

1

1

)2.1

~

1.1(

U

S

I=

（10）（10）式中(1.1～1.2)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。4.2 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。