單相降壓自耦變壓器課程設(shè)計

1、目錄前言綜述摘要1 單相自耦變壓器工作原理2.單相自耦變壓器運行分析2.1自耦變壓器電路磁路分析2.2自耦變壓器等效電路分析3.變壓器能耗與節(jié)能4.變壓器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及測定4.1變壓器技術(shù)參數(shù)及其確定4.2變壓器鐵心參數(shù)的計算4.3自耦變壓器高低壓繞組尺寸和匝數(shù)的計算5.結(jié)論綜述參考文獻前言綜述 變壓器在整個國計民生中是一種應(yīng)用極為廣泛的電氣設(shè)備，不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，還廣泛應(yīng)用于電子裝置，焊接設(shè)備，電爐等場合，可以實現(xiàn)交流變壓，交流電源供給，電路阻隔等功能。因此，它在整個國民生活中占有極其重要的地位。 變壓器按相數(shù)可分為單相、三相，按繞組的多少可分為雙繞組變壓器，三繞組變壓器，多繞組變壓器

2、，自耦變壓器等。而與普通單相變壓器相比較而言，單相自耦變壓器在一二次側(cè)之間不僅存在磁耦合，也存在電的聯(lián)系，因此在傳輸容量相同的條件下，不但體積小，而且效率高。因此在某些場合，得到廣泛的應(yīng)用。 由于自耦變壓器有諸多分類，但是運行原理基本相似。本設(shè)計只就單相降壓自耦變壓器給出具體設(shè)計，以此闡明自耦變壓器的運行原理和運行特性。摘要 雖然普通單相變壓器一二次側(cè)繞組是分開的，而自耦變壓器的一二次繞組是連在一起的，但是在結(jié)構(gòu)上，單相自耦變壓器可以看作是雙繞組變壓器的改裝，而且在工作原理、電路和磁路的分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)的定義和確定等方面，存在許多類似。因此本設(shè)計對比普通單相變壓器來進行單相自耦變壓器工作原理和電

3、路磁路的分析，給出基本參數(shù)的設(shè)計值，并且對變壓器的能耗進行論述，就節(jié)能簡單介紹。最后就自耦變壓器設(shè)計進行綜述。本設(shè)計重點就電路磁路進行分析，給出基本參數(shù)的確定方法與變壓器的設(shè)計值。主題詞：單相自耦變壓器；參數(shù)；1.單相自耦變壓器工作原理 普通變壓器利用電磁感應(yīng)作用，以交變磁場為媒介，實現(xiàn)電能的傳送，只存在電磁功率的傳送。而自耦變壓器一二次側(cè)不僅有電磁功率的傳送，也存在傳導(dǎo)功率的傳送。但是它們都實現(xiàn)將一種電壓、電流的交流電能轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種電壓、電流的電能。以下就單相自耦變壓器帶負載情況的工作原理進行分析，給出一二次側(cè)電動勢、電流比例關(guān)系，同時就自耦變壓器的容量進行分析。 圖1-1 自耦變壓

4、器的原理接線圖如圖1-1， 串聯(lián)繞組Aa匝數(shù)為，低壓繞組也稱為公共繞組，匝數(shù)為。高壓繞組AX由低壓繞組ax和串聯(lián)繞組Aa串聯(lián)組成，其匝數(shù)為。當高壓側(cè)加交流電壓時，將在串聯(lián)繞組和公共繞組產(chǎn)生交流電流，它將在鐵心中產(chǎn)生與繞組交鏈的主磁通,還會在繞組少量產(chǎn)生經(jīng)空氣等非磁性物質(zhì)閉合的漏磁通.主磁通在各繞組線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，則高壓側(cè)的感應(yīng)電動勢為， （1-1）由于低壓側(cè)和高壓側(cè)共用繞組ax，則感應(yīng)電動勢為， （1-2）從而在低壓側(cè)產(chǎn)生交流電流，在負載兩端產(chǎn)生電壓。用相量的形式表示與之間的關(guān)系為 (1-3)當忽略勵磁電流時，串聯(lián)繞組和公共繞組的磁通勢方向相反，互相抵消。對于節(jié)點a列KCL方程式，綜上可得

5、出電流之間的關(guān)系，如下 （1-4） (1-5)其中 (1-6)根據(jù)普通變壓器定義視在功率即變壓器容量的方法，自耦變壓器容量為, (1-7) 自耦變壓器的容量有電磁功率和傳導(dǎo)功率兩部分組成，而傳導(dǎo)功率是普通變壓器所不具有的，所以自耦變壓器容量要比普通變壓器容量大。2.單相自耦變壓器運行分析2.1自耦變壓器電路磁路分析 由于和普通變壓器相比，自耦變壓器高低壓側(cè)有電的直接聯(lián)系，所以電路磁路分析和普通變壓器不盡相同。當高壓側(cè)低壓側(cè)交變電流共同建立穩(wěn)定磁場后，絕大部分是主磁通，少部分是漏磁通，它們分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于漏磁通所經(jīng)過的路徑是非磁性物質(zhì)，其磁導(dǎo)率為常數(shù)，等效的漏電感可為 （2-1）則對于自

6、耦變壓器而言，可將串聯(lián)繞組和公共繞組的漏電抗等效為.繞組銅線圈的電阻可等效為.則串聯(lián)繞組的阻抗為, （2-2）公共繞組的阻抗為. （2-3）由基爾霍夫電壓定律可得自耦變壓器高壓側(cè)的電壓電流關(guān)系為 （2-4）由（1-4）可得， （2-5） 則 （2-6）同理可得低壓側(cè)電壓電流關(guān)系為 （2-7） 產(chǎn)生主磁通的電流為勵磁電流，高壓側(cè)加額定電壓時這個電路的勵磁電流可從空載實驗獲得。以此可推得串聯(lián)繞組公共繞組都是勵磁部分，由下式 （2-8） （2-9）則高壓側(cè)繞組電動勢可等效為 （2-10）其中為等效勵磁阻抗。當高壓側(cè)不變時空載和負載情況下，主磁通基本相同。則磁通勢平衡方程式為 （2-11）即 （2-1

7、2）此處公式和普通變壓器有些不同，關(guān)鍵是參考方向不同。此處低壓側(cè)電流方向取得流出節(jié)點a為正方向。2.2自耦變壓器等效電路分析 本設(shè)計利用等效電路和基本方程式的形式對自耦變壓器的運行進行分析，以此來為變壓器基本參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。其中涉及到折算問題，其前提是磁通勢和功率折算前后不變。本設(shè)計采用低壓側(cè)向高壓側(cè)折算，折算方法和普通變壓器基本相同，折算過程不作過多的闡述。 由（2-6）可得，對于自耦變壓器高壓側(cè)漏阻抗可等效為 （2-13）則,其中為等效漏阻抗 （2-14）同理 對于低壓側(cè)而言， （2-15）則漏阻抗為 (2-16)則 (2-17)通過以上的等效處理，自耦變壓器方程式的基本形式和普通

8、變壓器相同，因此折算過程可參照普通變壓器來列寫自耦變壓器的基本方程式，如下， (2-18) 上述分析為自耦變壓器基本參數(shù)的確定提供理論依據(jù)，與此同時對于自耦變壓器運行情況有所了解。圖2-13.變壓器能耗與節(jié)能 變壓器在傳導(dǎo)過程中自身要產(chǎn)生有功功率損耗和無功功率損耗。本設(shè)計只對有功功率損耗計算方法做詳細介紹，對無功功率只做適當概括。 對于有功功率損耗，一般涉及到銅損耗和鐵損耗。銅損耗是由于繞組線圈材料電阻自身熱效應(yīng)所產(chǎn)生的損耗。自耦變壓器銅損耗由串聯(lián)繞組和公共繞組線圈材料損耗值之和，為 (3-1)對于鐵損耗，包括交變磁化時磁疇之間摩擦消耗的能量和由于鐵心材料渦流產(chǎn)生的能量損耗。鐵損耗的一般工程計

9、算的經(jīng)驗公式為 （3-2） 自耦變壓器能量傳送分為電磁功率傳送和傳導(dǎo)功率傳送。由于變壓器是感性無功負載，在電磁功率傳送過程中，高低壓側(cè)的能量傳輸依賴于無功功率傳輸，所以無功功率要比有功功率大得多。 具有關(guān)部門統(tǒng)計，我們國家變壓器損耗率達到，而德國損耗率僅為?？萍己枯^低，設(shè)備比較老化，損耗率高是我國變壓器應(yīng)用的現(xiàn)狀，所以貫徹節(jié)能減排的理念，重點是降低變壓器的損耗率。其中涉及到的方面比較多，例如變壓器新型超導(dǎo)磁材料研制，繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等。4.變壓器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及參數(shù)測定4.1變壓器技術(shù)參數(shù)及其確定 變壓器的技術(shù)參數(shù)主要由國家標準和用戶的訂貨要求來決定。技術(shù)參數(shù)涉及額定容量、額定電壓、額定頻率

10、等。設(shè)計對象是單相降壓自耦變壓器，其中額定頻率為國內(nèi)市電頻率50HZ，為單相繞組自耦變壓器。自耦變壓器額定容量設(shè)計為80W,高壓側(cè)額定電壓有效值為220V，低壓側(cè)有效值為110V。由得， (4-1) 設(shè)分別為額定輸入容量、串聯(lián)繞組容量、公共繞組容量、額定輸出容量。則他們之間的關(guān)系由相關(guān)公式推導(dǎo)可得 （4-2）即自耦變壓器電磁功率和傳導(dǎo)功率的容量是相等的，和自耦變壓器的額定容量具有一定的線性關(guān)系。但是它們和變壓器的通過容量的比例不相等。4.2變壓器鐵心參數(shù)的計算 對于自耦變壓器而言，選擇鐵心是按照電磁感應(yīng)傳遞的功率即電磁容量進行選擇的，而不是按其傳遞容量即輸出功率進行選擇的。所以在鐵心計算上和普

11、通單相變壓器有所不同.當忽略漏阻抗壓降，則 （4-3）由（4-2）確定自耦變壓器的電磁容量 （4-4）由電磁容量選擇鐵心材料類型，本設(shè)計采用常用的EI鐵心EI-66工字型骨架。根據(jù)鐵芯直徑的經(jīng)驗公式可得， （4-5）其中分別為經(jīng)驗系數(shù)（一般取51-55）、自耦變效應(yīng)系數(shù)（為簡化計算設(shè)為1），與此同時注意參數(shù)的單位換算，功率的單位為千瓦，而直徑的單位為毫米。 對于實際鐵心多采用薄硅鋼片疊成的園內(nèi)接堆積矩形截面。實際截面積小于,在一般工程計算時還要乘上填充系數(shù)、疊片系數(shù)，其計算式如下，=7.32 （4-6）其中填充系數(shù)由制造工藝獲取，疊片系數(shù)一般取0.95。 對于單相變壓器重量計算如下，= （4-

12、7）其中分別為窗高（主要取決于繞組高度，是幾個尺度參數(shù)的之和）、硅鋼片密度一般冷軋鋼取7.65、鐵心柱凈截面積、鐵厄凈截面積、角重（無論什么形式的鐵心，角重部分總是四個，但是交接部分有所不同，具體計算方法是幾個參量的疊加）。本設(shè)計為了磁通分布均勻，鐵心柱靜截面積、鐵扼凈截面積取一致即為7.32。4.3自耦變壓器高低壓繞組尺寸和匝數(shù)的計算 在單相變壓器工作原理分析時涉及到感應(yīng)電動勢和最大磁通之間的關(guān)系式，高壓側(cè)的如下 (4-8)對于最大磁通可由 (4-9)計算得到，因此綜上兩式可得， (4-10)其中分別為鐵心的最大磁密，鐵心的有效截面積(由4-6得)。對于中小型變壓器最大磁密取.然而涉及到匝數(shù)

13、計算時，的計算涉及到初選值，重新計算兩個步驟。當忽略漏阻抗壓降時，匝數(shù)初步計算可利用式子 (4-11)對于匝數(shù)取整數(shù),上式最大磁密，匝數(shù)均為初選值。然后對電動勢和最大磁密重新計算，計算方法如下(單位為) 4-12)繞組數(shù)據(jù)主要包括導(dǎo)線長度，重量，繞組銅損耗。導(dǎo)線長度可由公式計算得到，其中分別表示任一繞組的平均半徑、最大分接繞組總匝數(shù)。則長度為=136.78m （4-13） 導(dǎo)線重量包括銅線重量和絕緣材料的重量。對于自耦變壓器的導(dǎo)線重量計算式可為 (4-13)分別表示導(dǎo)線密度、導(dǎo)線截面積、絕緣重占導(dǎo)線重的比例。但是由于流經(jīng)串聯(lián)繞組和公共繞組的電流不同，因此對銅導(dǎo)線的漆包線的要求有所不同，因此對于

14、串聯(lián)繞組和公共繞組的絕緣重占導(dǎo)線重比例有所不同，根據(jù)對漆包線線徑的選擇，選擇電流密度為，而對于漆包線一般取，這只是經(jīng)驗值，則導(dǎo)線重的實際計算公式為69.4+70.3=139.7g （4-14）導(dǎo)線銅損耗是變量，對于處于不同電流下其值也不同，但是其計算通式如下 (4-15)其中對于繞線裸銅線電阻 (4-16)其中分別表示75度下電阻率、銅線截面積。則對于串聯(lián)繞組和公共繞組而言，其銅線電阻分別為11.06,9.1.結(jié)論綜述 本設(shè)計就自耦變壓器工作原理進行論述，其中涉及交變電動勢、交變電流、自耦變壓器容量的計算方法，同時給出了它們之間的比例關(guān)系。給出電路磁路分析中所涉及的公式，同時利用等效電路和基本方程式對變壓器進行運行分析，其中涉及自耦變壓器漏阻抗的等效。在變壓器參數(shù)計算時，首先給出理論分析過程，最后應(yīng)用在實際的變壓器參數(shù)計算中。 本設(shè)計大致結(jié)構(gòu)是先進行理論分析，而后對變壓器的部分參數(shù)進行計算。由于個人能力有限沒能對自耦變壓器中所涉及的所有參數(shù)進行計算，而且理論分析居多。特點是對于自耦變壓器的某些理論知識進行分析拓展，