单相变压器毕业设计 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】目录单相变压器的设计摘要：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前言随着科学技术进步，电工电子新技术的不断发展，新型电气设备不断涌现，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。

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。

1.变压器的工作原理及分类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1i流过，在铁芯中产生交变磁通 ，与外加电压1u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1e和2e。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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S--变压器的额定容量；η--变压器的效率，取，表3-1 所给的数据是生产1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3.1.3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是励磁电流的经验系数铁芯尺寸的选定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2cm）。

A ——铁芯柱的净面积，单位为2cm ；0K ——截面计算系数，与变压器额定容量n S 有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时0K 可取小些截面积计算系数0K表3-2 截面积计算系数0K 的估算值计算芯柱截面积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b 的大小，一般取a b )0.2~2.1( ,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所以根据表3-3可知，a 可以近取28mm 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m fNB E 44.4=A,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数 式中0N ——对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V m B ——铁芯柱内工作磁密最大值，单位：T A ——铁芯柱截面积，单位：2cm采用冷轧硅钢片时，可取m B =~ 根据N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 式中1N 、2N 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=2—3A/2mm 。

对于连续工作时可取J=A 2mm 导线的截面积：()2176.15.241.4mm J I A C === 导线的直径：()mm JId 5.141.4715.041=⨯==π副边电流:()A ===29.034010022U S I导线截面：()222116.05.229.0mm J I A c ===导线直径：()mm d 385.029.0715.02== 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:()/29.0d h N C -=式中 d '—绝缘导线外径（mm ）； h ——铁芯窗高（mm ）；——考虑绕组框架两端厚度的系数；（2～4）——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：()2311.05.12429.01=+-⨯=C N 副边绕组每层的匝数：()8106.0385.02429.02=+-⨯=C N 各绕组所需层数为：CN N m = 原边层数：423891==m 副边层数：12819732==m 原边绕组的厚度为：()()64.7105.061.141/111=++⨯=++=γδd m t副边绕组的厚度为：()()94.6105.0445.0122?112=++⨯=++=γδd m tσ——层间绝缘厚度（mm ），导线较粗（0.2mm 以上），用一层厚度为～0.07mm 的电缆纸（或牛皮纸），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。

绕组总的厚度为：()()161.194.664.71.121=⨯+=⨯+=t t t 式中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。