平特性變壓器的設(shè)計(jì)

1、第一節(jié)平特性變壓器的設(shè)計(jì)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊機(jī)主變壓器、晶閘管弧焊整流器主變壓器等都是平特性變壓器。設(shè)計(jì)內(nèi)容是根據(jù)輸出電流、電壓的額定值，按照電磁感應(yīng)的基本定律，計(jì)算出鐵心、繞組的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及運(yùn)行的性能指標(biāo)等。一、交流變壓器運(yùn)行的基本規(guī)律作用在變壓器上的電壓常見(jiàn)的是正弦交流電壓，現(xiàn)代焊接電源中還有矩形波、三角波等交流電壓，如圖1所示。在上述電壓作用下繞組磁通量在之間變化。設(shè)一次繞組在正半波電壓平均值為,，則有 式中交流電壓頻率； 一次繞組匝數(shù)； 磁通量幅值。圖1 交流變壓器波形示例a) 正弦電壓 b)矩形電壓 c)近似三角電壓現(xiàn)在定義電壓有效值與半波平均值之比為波形系數(shù)，則變壓器一次

2、側(cè)電壓有效值可以表示為正弦交流電壓的波形系數(shù)，所以對(duì)于正弦交流電壓的有效值有式中 鐵心磁通密度；鐵心凈截面積；二、變壓器容量與基本尺寸間的關(guān)系變壓器容量越大，它的尺寸越大?；境叽缬袃蓚€(gè)，即鐵心柱截面積和窗口面積，二者大體有一定的比例，這一比例因變壓器的種類(lèi)不同而異，常常從變壓器容量與鐵心柱截面積的關(guān)系開(kāi)始分析。1. 單相變壓器的容量與尺寸關(guān)系設(shè)變壓器一次側(cè)容量，二次側(cè)容量，并設(shè)二次側(cè)有個(gè)獨(dú)立繞組，總?cè)萘?，則有設(shè)為繞組每匝感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而且有，代入上式，則 設(shè)是變壓器的效率，所以對(duì)于變壓器二次輸出容量有式中 磁通密度； 鐵心柱截面積； 窗口面積；繞組電流密度；鐵心疊片系數(shù)，即鐵心凈截面積與鐵心截

3、面積之比；窗口填充系數(shù)，即窗口內(nèi)繞組凈截面積與窗口面積之比。在單相變壓器中，近似取，則上式又變?yōu)楝F(xiàn)在給出、兩組典型數(shù)據(jù)，計(jì)算與之間的關(guān)系 1.0 1.4 2.5 5 0.9 0.93 0.3 0.2 0.85 0.85 由最后一行看出，鐵心柱截面積與變壓器輸出容量之間的一般關(guān)系，即 （1）一般，系數(shù)，或者在更寬的范圍內(nèi)選取。同樣的輸出容量，不同的k值，得到不同的，這就是變壓器設(shè)計(jì)的靈活性。由于，所以也可以根據(jù)輸入容量計(jì)算出。同樣利用上式，但值不同。如果或的單位用，式中的值又不同，這是圖2 三相變壓器簡(jiǎn)圖在不同文獻(xiàn)中表達(dá)上的差別，實(shí)質(zhì)是一樣的。2. 三相變壓器容量與尺寸關(guān)系三相變壓器有三個(gè)鐵心柱

4、，兩個(gè)窗口，如圖2所示。設(shè)一個(gè)鐵心柱(即一相)上的一、二次繞組總?cè)萘繛?，則有 （2）由于一個(gè)窗口內(nèi)有兩個(gè)鐵心柱(即二相)上的繞組穿過(guò)，所以每柱繞組占據(jù)窗口面積的一半，即 （3）將式(3)代入式(2)中，并將展開(kāi)由于窗口面積較大，容納三相繞組，所以取，代入上式有如果三相變壓器的每柱輸出容量仍用表示，有，因而該式與單相變壓器中的容量、鐵心截面積關(guān)系相同。利用前面的、兩組數(shù)據(jù)，也有同樣的結(jié)果。鐵心柱截面積的表達(dá)式與單相變壓器具有相同的形式或者，系數(shù)的選取也基本相同。實(shí)際上，三相變壓器中三個(gè)鐵心柱共用上、下鐵軛，節(jié)省了鐵心材料，為保持合理的銅鐵比，降低質(zhì)量及成本，鐵心截面積往往取得大一些，即在使用公式

5、時(shí)，系數(shù)值比單相變壓器計(jì)算中的取值大一些，改變了預(yù)設(shè)的的關(guān)系，例如，在后面ZX5-400晶閘管整流焊機(jī)主變壓器設(shè)計(jì)實(shí)例中，實(shí)際是。三、繞組的計(jì)算求出鐵心柱截面積后，計(jì)算每匝繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，則 （4）若，則有若，稱(chēng)每伏匝數(shù)，則有 （5）式中 磁通密度； 鐵心柱截面積；鐵心柱凈截面積。如果變壓器設(shè)計(jì)先從計(jì)算每匝感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)開(kāi)始，則對(duì)單相變壓器在的條件下，有式中 磁通密度；單項(xiàng)變壓器輸出容量。如果改用為單位，則有這時(shí)取，則有 （6）式中 單項(xiàng)變壓器輸出容量。對(duì)于三相變壓器，用表示三項(xiàng)輸出總?cè)萘?，而且以作單位，則有這時(shí)取，則有如果三相變壓器單柱輸出容量，則的計(jì)算公式與單相中的公式相同，。的選取可參照表

6、1。表1 磁通密度的選擇變壓器容量51015100>135熱軋片；0.711.21.41.41.5熱軋片；1.41.71.51.751.61.8取的過(guò)高，空載電流增大，但應(yīng)滿(mǎn)足，是一次額定輸入電流。繞組匝數(shù)的計(jì)算；。式中 是指多個(gè)二次繞組中的第個(gè)繞組的序號(hào)。繞組截面積計(jì)算，式中 電流密度，可參考表10進(jìn)行選取。四、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3是一個(gè)三相平特性變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。鐵心柱截面積確定之后，則有圖3 三相變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖一般有 式中 鐵心柱截面積； 鐵心片寬； 鐵心疊厚。窗口尺寸有 窗口高 。繞組高 。一次繞組每層匝數(shù)，圓整化為。是包括絕緣在內(nèi)的導(dǎo)線(xiàn)直徑，如果是扁導(dǎo)線(xiàn)，是沿繞組高度排列的線(xiàn)寬。一次繞組

7、層數(shù)，圓整化為；一次繞組所占的窗寬，；二次繞組每層匝數(shù)，圓整化為；二次繞組層數(shù)，圓整化為；二次繞組所占的窗寬，。兩繞組間可以局部用剛性絕緣材料填充、塞緊，這樣還隔出了一定的通風(fēng)道，有利散熱。繞組內(nèi)側(cè)到鐵心應(yīng)留有的框架厚度或絕緣墊層厚，所以每相一、二次繞組所占的窗寬為為圖4 三相變壓器鐵芯片布置圖窗口總寬（見(jiàn)圖4）為圖4是鐵心片布置圖，剪片規(guī)格共有三種1）2）3）疊片時(shí)，分組交錯(cuò)對(duì)插，每組一般兩層，也有單層、4層、8層一組的情況。第一組長(zhǎng)軛在上，第二組長(zhǎng)軛在下，依次交錯(cuò)，最后上下鐵軛用角鐵夾緊，或者在片上沖孔，用空心鐵筒鉚緊，或者用螺栓夾緊。鐵心每層面積鐵心疊厚鐵心體積變壓器鐵心質(zhì)量一、二次繞組

8、導(dǎo)線(xiàn)總長(zhǎng)或式中 、 是一、二次繞組導(dǎo)線(xiàn)的平均匝長(zhǎng)。一、 二次繞組導(dǎo)線(xiàn)的截面積為、，則體積為或者導(dǎo)線(xiàn)總體積 一、 二次繞組總質(zhì)量一般鐵銅比為五、空載電流的計(jì)算空載電流，一般要求，是一次側(cè)額定電流。是空載電流的有功分量，它是由鐵心的磁滯、渦流損耗 引起的。是單位鐵心質(zhì)量的鐵損，可以查表4及表5得到。是空載電流的無(wú)功分量，是由鐵心的磁化容量及氣隙的磁化容量引起的。是單位質(zhì)量鐵心的磁化容量，它是硅鋼片的磁密或磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)，可以查表4及表5得到。如果鐵心中各段的不同，則也不同，可以分段計(jì)算求和。式中 氣隙截面積，一般等于鐵心柱截面積； 氣隙數(shù)； 單位氣隙的磁化容量，可以查表6。除查表法外，單位磁化容量

9、及。也可以由分析法計(jì)算式中 磁通密度； 磁場(chǎng)強(qiáng)度。式中 磁通密度； 氣隙長(zhǎng)度。六、ZX5-400晶閘管弧焊整流器主變壓器設(shè)計(jì)1. 已知條件ZX5-400晶閘管弧焊整流器主電路及變壓器一、二次側(cè)電流有效值如圖5所示。輸 入 電 壓 380相 數(shù) 3相圖5 ZX5-400弧焊整流器主電路及電流有數(shù)值額定輸出 電 流 400空 載 電 壓 63額定負(fù)載持續(xù)率 60%額定工作 電 壓 36效 率 74%功 率 因 數(shù) 0.74輸 入 容 量 242. 參數(shù)計(jì)算按圖5每柱(相)輸出相位相反的兩個(gè)二次繞組的長(zhǎng)時(shí)容量為依照每柱容量計(jì)算的每匝繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);由前述繞組計(jì)算部分式（6），則鐵心柱截面積 取92一

10、次繞組匝數(shù) 取90匝實(shí)際。由空載電壓，求二次繞組相電壓每個(gè)二次繞組的匝數(shù)窗口面積3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）鐵心尺寸取片寬 疊 厚 窗 高 取16窗 寬 剪片尺寸，參照?qǐng)D6，有1）2）3）圖6 ZX5-400主變壓器剪片尺寸剪片數(shù)量，取，硅鋼片厚度1）2）3）（2）繞組尺寸 二次繞組長(zhǎng)時(shí)電流二次繞組導(dǎo)線(xiàn)截面積，設(shè)有內(nèi)部風(fēng)冷，電流密度，則有選用規(guī)格雙玻璃絲包扁線(xiàn)，外廓，截面積一次繞組長(zhǎng)時(shí)電流一次繞組導(dǎo)線(xiàn)截面積,仍取選用規(guī)格雙玻璃絲包扁線(xiàn)，外廓，截面積（3）繞組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、二次繞組都用盤(pán)形結(jié)構(gòu)，每鐵心柱上的一次繞組分成6盤(pán)， 每盤(pán)15匝，每個(gè)柱上的二次繞組分成4盤(pán)，每盤(pán)10匝。每柱繞組的原理、接線(xiàn)、結(jié)構(gòu)

11、如圖7所示。由c圖可以看出，各盤(pán)間加了8mm厚的墊塊，隔離出了風(fēng)道，上下各由一根長(zhǎng)螺栓緊固。這時(shí)最外兩盤(pán)繞組的外緣尺寸為6個(gè)一次繞組寬度、4個(gè)二次繞組寬度、9個(gè)墊塊厚度之和圖7 ZX5-400晶閘管弧焊整流器每柱繞組原理及結(jié)構(gòu) a) 原理圖 b) 接線(xiàn)圖 c) 柱繞組的連接及裝配繞組外緣至鐵軛的距離為盤(pán)形繞組的端面形狀如圖8所示。一次盤(pán)及二次盤(pán)的寬度都約為27mm，圖8 盤(pán)形繞組端面形狀及裝配位置30mm設(shè)計(jì)安排。（1）窗口填充系數(shù)計(jì)算每柱繞組凈截面積，則每窗口繞組凈截面積填充系數(shù)（5）銅鐵比計(jì)算一次繞組平均匝長(zhǎng)二次繞組平均匝長(zhǎng) 三柱一次繞組總長(zhǎng) 一次繞組總體積 一次繞組銅重 三柱二次繞組總長(zhǎng)二次繞組總體積二次繞組銅重 總銅重 鐵心每層面積 鐵心體積 鐵重 銅鐵比 （6