SH15-80010-0.4非晶合金變壓器設(shè)計【含CAD圖紙、論文】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 大學(xué)電力工程實驗室中的變壓器設(shè)計 摘要：本文主要描述了電力工程學(xué)實驗室當(dāng)中關(guān)于變壓器設(shè)計的一個實驗。該實驗要求學(xué)生參與整個過程，包括實驗設(shè)計與制作以及造型和分析。 關(guān)鍵詞：電力工程學(xué)，電力變壓器，設(shè)計，建模，實驗操作 前 言 在電力工程學(xué)課堂上很難進(jìn)行一次完整的實驗設(shè)計，該設(shè)計必須包括設(shè)計，制作以及裝置測驗等。由PES電力工程教育委員會所支持的兩篇論文中描述了電力工程學(xué)生的實驗設(shè)計，在這些實驗中，學(xué)生們利用電腦軟件設(shè)計了一個電力系統(tǒng)和分配系統(tǒng)。本文作者試圖在他的課堂上使用這些優(yōu)秀的實驗，關(guān)于實驗設(shè)計的確定，學(xué)生們還有賴于對實驗進(jìn)行分析和模擬操作。學(xué)生通過親身經(jīng)歷實驗裝置的制作可以學(xué)到很多東西。 另外有一篇文章詳細(xì)地描述了適用于教學(xué)的變壓器分析軟件，但遺憾的是學(xué)生們不能夠制作以及測驗這些變壓器。第四頁論文中提到了一個測試實驗，在該實驗中，學(xué)生可以對變壓器進(jìn)行一些具體的測驗，而無需任何設(shè)計。在近來的其他一些文章中也有提到有關(guān)電腦控制直流發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的實驗以及電腦上模擬電力系統(tǒng)的實驗。 在本文中我們所設(shè)計的實驗要求學(xué)生在電力工程課堂上進(jìn)行一次完整的實驗設(shè)計。該實驗是一堂電機(jī)學(xué)的一部分，在大多數(shù)電力工程項目組中通常會有一個合格的大三或者大四水平的電機(jī)學(xué)學(xué)生做為輔導(dǎo)。該實驗在課程中安排的比較早，這可以增強(qiáng)學(xué)生對于電力工程課的興趣。這是課堂里頭唯一的一個設(shè)計學(xué)實驗，盡管還會穿插著其他一些關(guān)于設(shè)計與制作簡單直流電動機(jī)的實驗。 在實驗當(dāng)中，學(xué)生根據(jù)老師提供的說明書設(shè)計，制作和檢測一個單相電動機(jī)。從最初的實驗結(jié)果看，該變壓器是重新設(shè)計的，而且新的設(shè)計也被檢測了。在為變壓器設(shè)計的電路模型中，我們用到了標(biāo)準(zhǔn)的通路和短路實驗。該模型后來被用來預(yù)測變壓器的運作，這些預(yù)測結(jié)果可以與實驗室當(dāng)中的一些測量值做對照。盡管最初的設(shè)計可以通過電腦模型來進(jìn)行檢測，但作者堅信通過兩階段的設(shè)計，制作以及重新設(shè)計程序?qū)W(xué)生來說是很有意義的。在這過程當(dāng)中許多新的設(shè)計被首次用作模型，然后再進(jìn)行檢測和再設(shè)計，這一切都很真實。 該實驗的目的在于學(xué)習(xí)： 1. 設(shè)計程序 2. 實驗程序 3. 建模 4. 作為團(tuán)隊的一員進(jìn)行設(shè)計研究 5. 變壓器的運作 實驗說明 整個實驗大概需要4個星期。在實驗開始的時候我們就已經(jīng)在課堂上講述了關(guān)于實驗的一些相關(guān)理論。學(xué)生們可以分為四組。 設(shè)計環(huán)節(jié)1 在第一個設(shè)計環(huán)節(jié)當(dāng)中，我們提供了變壓器說明書： 1.額定電壓Vp=10V 2.輸入功率為10VA 3.電壓比a=Vp/Vs= 0.8±0.1 4.滿載電壓規(guī)格=0.2或者稍微小一點，正常的為a=0.8 5.最大功率：應(yīng)該在低于中央飽和狀態(tài)下進(jìn)行運作。 6.以下的“p”代表“主要的”而“ s”代表“次要的” 每一組都提供了一塊螺旋形鐵心和磁化曲線圖。（磁化強(qiáng)度用H表示，磁化密度用B表示）鐵心制造商所提供的磁化曲線圖位于下圖1. 下面一些關(guān)于設(shè)計方面的信息也是提供給學(xué)生的： 1. 從磁化曲線圖中，我們可以決定在主線圈上為避免磁路飽和所需要的最小匝數(shù)，然后再計算出分線圈的匝數(shù)。 2. 根據(jù)鐵心的大小以及匝數(shù)可以知道需要多少電線。從線表（于表1所顯示）可以決定合適電線的規(guī)格。然后到老師那里取線。 3. 啟動變壓器。你可以在你的設(shè)計當(dāng)中考慮使用不同的旋轉(zhuǎn)方法。 有了這些信息，學(xué)生就可以開始變壓器的設(shè)計以及制作。 學(xué)生們也可以設(shè)計一個電路檢測實驗來測量變壓器的電壓比，電阻，功率，以及在磁化曲線圖上的運作點。 測試環(huán)節(jié)1 一星期后，學(xué)生們帶著他們的變壓器和檢測程序來到實驗室。在這里，他們將電路連接到10V的電壓上，然后做了如下的測量： 1. 一次側(cè)和二次側(cè)的電壓量，Vp和Vs,二次側(cè)電路保持通路。 2. 當(dāng)Vp從5V變化到超過飽和量時的Vp和Ip，仍舊保持二次側(cè)電路通路。 3. 一次側(cè)和二次側(cè)的電壓以及電流，Vp, Ip, Vs和 Is，把一個電阻負(fù)荷置于二次側(cè)回路，這可以導(dǎo)致變壓器的滿負(fù)荷運作。 在完成了所有的測量之后，每一個學(xué)生都要計算出： 1. 通路（無負(fù)荷）電壓比 2. 滿負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)量 3. 滿負(fù)荷功率和結(jié)構(gòu) 4. 不同Vp下的Vp,vs,Ip 設(shè)計環(huán)節(jié)2 從第一個實驗環(huán)節(jié)的檢測結(jié)果和計算結(jié)果，每一組都可以知道他們的設(shè)計與變壓器說明書的要求有多接近。然后再重新設(shè)計與制作變壓器，在這個重新設(shè)計當(dāng)中學(xué)生可以與老師一起討論。 學(xué)生們當(dāng)然也得設(shè)計另外一個檢測程序來對變壓器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的通路和短路測驗。他們同時也要提供一個等式，該等式可以計算出于2圖中所顯示的電路模型值。 測試環(huán)節(jié)2 在實驗的第二階段中，檢測實驗（1）中的無負(fù)荷和滿負(fù)荷測試同樣要求在新的變壓器設(shè)計中出現(xiàn)。如果需要的話，Vp vs. Ip檢測也要進(jìn)行。到時再完成通路和短路檢測，然后計算出電路模型中的一些數(shù)據(jù)。 電路模型再被用于評估處于滿負(fù)荷運作狀態(tài)下的變壓器。最后將這些與實驗室當(dāng)中已測量出來的數(shù)據(jù)和結(jié)果相比較。 最后結(jié)果與報告 每一個學(xué)生都要求做一份正式的規(guī)范的報告。我們鼓勵學(xué)生使用文字處理軟件。在他們的報告當(dāng)中要求包括以下內(nèi)容： 1. 說明為了達(dá)到與說明書相一致你最初是怎么樣設(shè)計你的變壓器。 2. 呈現(xiàn)從實驗第一階段檢測當(dāng)中所得到的記錄數(shù)據(jù)和計算值。然后分析你所設(shè)計的變壓器是怎樣或者為什么沒有能達(dá)到說明書上的要求。 3. 說明在第二個設(shè)計環(huán)節(jié)當(dāng)中你是怎樣重新設(shè)計變壓器的。 4. 呈現(xiàn)從實驗第二階段檢測當(dāng)中所得到的記錄數(shù)據(jù)和計算值。然后分析你所設(shè)計的變壓器是怎樣或者為什么沒有達(dá)到說明書上的要求。 5. 畫出變壓器模型圖，然后標(biāo)上你所計算出來的數(shù)值。 6. 利用電路模型來計算出在滿負(fù)荷狀態(tài)下的Ip,Vs,和Is。然后與你所測量的結(jié)果進(jìn)行比較。 7. 假若你可以再次設(shè)計變壓器，你會做什么改變？ 這份報告是根據(jù)以下進(jìn)行評分，學(xué)生會在實驗的開始就知道評分依據(jù)。 技術(shù)準(zhǔn)確度 1/4 （結(jié)果要求完整，真實以及連貫） 結(jié)論 1/4 （結(jié)論要與結(jié)果相一致） 可讀性 1/4 （語法和拼寫要正確，并且容易理解） 組織 1/4 （報告要有一個邏輯的大綱） 樣板變壓器設(shè)計以及檢測 設(shè)計環(huán)節(jié)1 法拉第定律表明在感應(yīng)線圈上的電壓與繞組匝數(shù)是成正比例的，位于磁場中的線圈匝數(shù)以及通過線圈的磁通量。 如果將電源電壓與線圈連接起來，那么磁通量為： 對于一個電源電壓正弦曲線： 磁通量將是： 這也可以用磁感應(yīng)強(qiáng)度來表示出來： A在鐵心的十字交叉區(qū)域。當(dāng)正弦形式為1時磁通量達(dá)最大： 最大磁通量應(yīng)該處于飽和狀態(tài)下方區(qū)域，而且它可以在鐵心的B-H曲線圖上讀出來。知道了Bmax，那么我們就可以計算出鐵心的上的最小匝數(shù)。 磁化曲線圖顯示于圖1的鐵心的厚度為0.022米，寬度為0.029米。那么十字交叉區(qū)域面積為： A=0.222*0.029=0.000638平方米 對于一個10V RMS信號的最大電壓值為 Vp=√2*10V=14.14V 選定磁化曲線下方的運作點： Bmax=10kGauss=1T 將這些數(shù)值代入等式1那么會得到最小值 ： Np,min=58.8turns 或者主線圈上有59匝。大多數(shù)學(xué)生會簡單的通過專用匝率來劃分，然后得到分線圈的匝數(shù)。 Ns=Np,min/a = 59/0.8 =73.75轉(zhuǎn) 因此對于我們的第一次變壓器設(shè)計中，主線圈有59匝分線圈有74匝。然后我們根據(jù)變壓器的規(guī)格來計算出盤的長度： 主線圈長=50*（0.022+0.022+0.029+0.029）=6米 分線圈長度=74*（0.022+0.022+0.029+0.029）=7.5米 線圈一般會安置于環(huán)形室的對面，因為許多課本上的常用草圖就是這樣的，這顯示于圖三。 測試環(huán)節(jié)1 1.在二次側(cè)電路保持通路，用一個10V的電源與變壓器的主線連接時，二次側(cè)電路電壓為12.4V。這就可以知道通路電壓比為： a=10.0/12.4= 0.806 2.在二次側(cè)電路仍舊保持通路，電壓從5V到12V變化，測量二次側(cè)電路的電流。結(jié)果顯示于表2。磁化曲線圖，表2中的數(shù)據(jù)圖，顯示于圖4 表2.主電路電壓與電流 圖4 主電路電壓與電流圖 在二次側(cè)電路上連接一個可變電阻，主電路電壓設(shè)置為10V，可變電阻不斷調(diào)小到變壓器為滿載負(fù)荷。滿載負(fù)荷即意味著主電路的電流為： Ip=10/10=1.0A 或者說二次側(cè)電路的電流為 Is=10/(10/0.8)=0.8A 數(shù)據(jù)顯示于表3。在主電路電流與電壓之間的相位可通過示波器測量出來。因為電阻是可變的，所以二次側(cè)電路的相位為0 表3 滿載時電壓與電流 滿載時電壓比為： 電壓變動率，由專用轉(zhuǎn)率計算得到0.8，結(jié)果為： 變壓器的輸入功率為： 輸出功率為： 功率為 設(shè)計環(huán)節(jié)2 最初的變壓器設(shè)計達(dá)到了說明書的兩個要求。通路轉(zhuǎn)率為0.806，在規(guī)范范圍內(nèi) （）而通過圖4的曲線圖我們可以知道，變壓器剛好在磁化曲線下方以最大功率進(jìn)行運轉(zhuǎn)。 然而，變壓器并沒有達(dá)到說明書上的滿載電壓率規(guī)范，也沒有達(dá)到電壓變動率的20%的要求。在這一點上學(xué)生們必須認(rèn)識到，為了達(dá)到設(shè)計規(guī)范，變壓器必須設(shè)計成能夠比正常通路電壓高的狀態(tài)進(jìn)行運轉(zhuǎn)。允許的最高通路電壓為： 分盤大概需要的線圈轉(zhuǎn)數(shù)為： 變壓器分盤線圈增加了8匝。為了減少磁泄漏，許多學(xué)生在主盤頂部重新安裝了一個分盤。另外，有些人考慮到增加的8匝線圈可能不會使二次側(cè)電路電壓變?yōu)?3.9V，于是在測驗環(huán)節(jié)當(dāng)中他們留了足夠的電線，用來給分盤再增加2或者3匝線圈。 測驗環(huán)節(jié)2 1.在保持二次側(cè)電路通路，同時有一個10V的電源與重新設(shè)計的變壓器主電路連接時，二次側(cè)電路的電壓為13.7V。這樣我們就得到通路電壓率為： 2.在主電路電壓為10V，變壓器滿載負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，二次側(cè)電路的電壓為11.0。這樣我們得到滿載電壓率為： 電壓變動率，同樣由專用轉(zhuǎn)率公式得到0.8，然后得出結(jié)果： 變壓器的輸入功為： 輸出功為： 計算得到功率為： 現(xiàn)在電壓變動率就在規(guī)范范圍之內(nèi)了，但是滿載時電壓率仍舊很高，它應(yīng)在范圍之內(nèi)。由于通路電壓率依舊高于0.72，因此主線圈匝數(shù)還應(yīng)增加。 在給主線圈增加一匝線之后我們得到表5所示的結(jié)果。除了滿載電壓率，現(xiàn)在所有的數(shù)據(jù)都在規(guī)范范圍之內(nèi)。滿載電壓率應(yīng)該為0.88或者更低一些。為了使該數(shù)值降低我們給分線圈增加了一匝線，這就使得通路電壓率低于0.72。 表4 變壓器最后測驗結(jié)果 通路電壓率： 滿載時測驗： 變壓器模型 學(xué)生們對于他們的變壓器設(shè)計和測驗結(jié)果很滿意，于是他們通過標(biāo)準(zhǔn)的通路和短路實驗完成了這整個工作。作為樣板變壓器的一些數(shù)據(jù)結(jié)果顯示于表5。（在主電路上做了兩次測驗） 表5 短路和通路測驗 圖2當(dāng)中的電路模型數(shù)據(jù)現(xiàn)在可以通過計算得出： Xeq為0表示變壓器中的磁泄露可以忽略。我們可以通過鐵心材料的高滲透性預(yù)測到這一結(jié)果。 Req的值不在我們實驗設(shè)計考慮之內(nèi)，它僅僅是線圈的電阻。相對而言，Rc 和 Xm值比較低，這個可以通過鐵心的較大的磁滯現(xiàn)象來解釋，這產(chǎn)生了較大的損失，也就說明了為什么功率為75%。 現(xiàn)在電路模型可以被用來評估滿載電壓和電流： 當(dāng)通路轉(zhuǎn)率a=0.72，二次側(cè)電路電阻為17ohms，這些數(shù)值是根據(jù)實驗室滿載負(fù)荷時所得到。我們可以利用電路模型來計算出以下數(shù)據(jù)： 與表4當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在電路模型中會得到如下一些誤差： 這些誤差顯示了電路模型和測量數(shù)據(jù)之間的優(yōu)勢性。 結(jié) 論 關(guān)于這個實驗的完成,同學(xué)們參與了整個實驗設(shè)計過程,從最初的設(shè)計與制作,通過測驗,重新設(shè)計,建模和分析.他們處理了多份說明書,這些含有一些矛盾,比如在涉及到電功率的材料的使用時平衡功率的問題. 他們已經(jīng)見識過數(shù)個trade-off 設(shè)計過程中的應(yīng)用.他們也學(xué)會了專業(yè)的變壓器設(shè)計和建模知識.而且他們也了解了處于一個工作團(tuán)隊中的優(yōu)勢與劣勢. 自 傳 于1979年在州立大學(xué)取得了電力工程學(xué)士學(xué)位,并于1980年在密歇根大學(xué)取得電力工程學(xué)碩士學(xué)位,1986年在大學(xué)取得博士學(xué)位.在1980年到1984年間,他在國家實驗室當(dāng)中的電力系統(tǒng)技術(shù)項目組工作.他主要致力與光電學(xué)和電能質(zhì)量 的研究. 從1987年開始就是,大學(xué)電力工程系的一員,他主要從事電機(jī)和電力系統(tǒng)的教學(xué)工作. 參考文獻(xiàn)