《电机与拖动》课程设计直流伺服电机控制系统的设计The design of Dc servo motor controlsystem学生姓名张志新学院名称信电工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师韩成春2012年01月04日摘要作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用，在国民经济的其他部门，作为特种电源或满足特殊的需要，变压器也发挥着重要的作用。

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。

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。

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。

关键词电机与拖动；小型；单向；变压器目录1 绪论 (1)1.1 设计总纲 (1)1.1.1设计任务 (1)1.1.2 设计要求 (1)1.1.3设计用设备和器件 (1)2变压器结构 (1)2.1 铁芯 (1)2.2 绕组 (1)2.3 其他结构部件 (2)3 变压器的工作原理 (2)3.1 电压变换 (2)3.2电流变换 (2)4 设计内容及数据的测量 (3)4.1 设计内容 (3)4.2 铁芯尺寸的选定 (4)4.3 绕组的匝数与导线直径 (5)5 实例计算 (8)结论 (10)心得 (11)参考文献 (12)附录 (13)附录1 (13)附录2 (13)1 绪论1.1 设计总纲1.1.1设计任务设计一个直流伺服电机控制系统1.1.2 设计要求1）说明直流伺服电机的基本结构和工作过程2）说明直流伺服电机的控制方法3）设计直流伺服电机控制系统，并分析运行特性4）撰写设计报告、总结以及心得1.1.3设计用设备和器件功率表、万用表.直流电流表、直流电压表2 变压器的结构2.1 铁芯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。

铁芯分为铁柱和铁轭两部分，铁芯中套装绕组的部分是铁芯柱，连接铁芯柱形成闭合磁路的部分称为铁轭。

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。

铁芯结构有两种基本形式：芯式和壳式。

2.2 绕组变压器一般采用同芯式绕组，即低压绕组和高压绕组同芯地套装在铁芯柱上。

通常低压绕组在里面，高压绕组在外面。

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。

图（1）2.3其它结构部件1）储油柜和油表 2）气体继电器 3）安全气通 4）绝缘套管3变压器的工作原理3.1电压变换当一次绕组加上交流电压1u 时，绕组中通过交流电流1i ，在铁芯中将产生既与一次绕组交链，由于二次绕组交链的主磁通Φ，还会产生少量的仅与一次绕组交链的主要经过空气等非磁性物质闭合的一次绕组漏磁通1σΦ。

dtd Ne u Φ=-=111 (3-1) dtd Ne u Φ=-=222 (3-2) k N N E E U U ===212121 (3-3) 说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。

3.2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。

2211U I U I = 又 (3-4)kII U U I 22121==(3-5) 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。

4 设计内容及数据的测量4.1 设计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。

4.1.1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。

4.1.1.1 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I U I U I U S n n +++=......33222 （4-1）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 ）。

4.1.1.2 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（单位为V ·A ）（4-2）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1 小容量变压器计算参考数据4.1.1.3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=21*（S 1+S 2）（单位为V·A ） （4-3） 4.1.1.4 一次电流的确定11)2.1~1.1(U SI = （4-4） 式中(1.1～1.2)考虑励磁电流的经验系数，对容量很小的变压器应取大的系数。

4.2 铁芯尺寸的选定4.2.1 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。

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（2）所示。

图（2）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(cm 2)。

SA K 0= （4-5）A——铁芯柱的净面积，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K0可取小些截面积计算系数K0硅钢片时K0的估算值表2截面积计算系数计算芯柱截面积A后，就可确定芯柱的宽度和厚度，根据图3可知K c==A'abab（4-6）式中a——芯柱的宽度（mm）；b——芯柱的净叠厚（mm）；'b——芯柱的实际厚度（mm）；K c——叠片系数，是考虑到铁芯叠片间的绝缘所占空间引起铁芯面积的减小K c=0.93；对于0.35mm厚两面所引入的。

对于0.5mm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。

涂漆绝缘的热轧硅钢片，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。

表3小型变压器通用的硅钢片尺寸4.3绕组的匝数与导线直径4.3.1 计算每伏电压应绕的匝数从变压器的电势公式E=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数A A f E NB B N m m 380105.444.410⨯=== （4-7）式中0N——对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V B m ——铁芯柱内工作磁密最大值，单位：T A ——铁芯柱截面积，单位：cm 2当铁芯材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.0~1.2T ；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.2~1.5T 然后根据N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数U N N 101= （4-8） 202)10.1~05.1(U N N = （4-9）U N N 303)10.1~05.1(= （4-10）式中N1、N 2 ……Nn ——各线圈的匝数。

为补偿负载时漏阻抗压降，副边各线圈的匝数均增加了5%~10%。

4.3.2 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/mm 2 导线的截面积：A c =I/j.导线的直径： mmj I j I d 13.14==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。

表4导线材料的选取4.3.3 绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的最后确定。

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-=（4-11）式中 d '—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； （2～4）——考虑裕度系数。

各绕组所需层数为c N m N =（4-12）各绕组厚度为()i i i i t m d δγ'=++ i=1,2,…,n （4-13）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 （4-14） 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 必须略小于铁芯窗口宽度c ，若t>c,可加大铁芯叠装厚度，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。

5实例计算图（3）如上图所示，取V U 2201= V U 3002= V U 503= A I 2.02= AI 1.03= 计算变压器的主要参数，并选择可行的材料。

解：1、计算变压器的额定容量S N1）计算副边的容量：S 2=U 2 I 2 + U 3 I 3=300*0.2+50*0.1=65(V·A )2)计算原边的容量：21S S =/η根据表1：小型单相变压器的效率η的估算值可以取η=0.82 因此，21S S =/η=65/0.82=79.3(V·A )3）计算变压器的额定容量N S =1/2（21S S +）=0.5*（65+79.3）=72.2(V·A )考虑到存在着一定的损耗，故可以定变压器的额定容量近似取75V·A2、 铁芯尺寸的选定1）计算铁芯截面积AA ＝K 0N S根据表2. 截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.40因此，A ＝K 0N S（cm2）2）铁芯中柱宽度a 与铁芯叠厚b 的计算根据表3.参数a 、b 的选取可以近似取a=28mm 因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.此时b/a=47.5/28=1.7满足b=(1.2~2)a 的通常要求。