资源简介 中小学教育资源及组卷应用平台前 言步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。步进电机作为制执行元件，是电气自动化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。上个世纪就出现了步进电动机，它是一种可以自由回转的电磁铁，动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么区别，也是依靠气隙磁导的变化来产生电磁转矩。在本世纪初，由于资本主义列强争夺殖民地，造船工业发展很快，同时也使得步进电动机的技术得到了长足的进步。到了80年代后，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件或者集成电路组成的控制回路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路。计算机则通过软件来控制步进电机，更好地挖掘出电动机的潜力。因此，用计算机控制步进电机已经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代趋势。步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。使用恰当的时候，甚至可以和直流伺服电动机性能相媲美。步进电机广泛应用在生产实践的各个领域。它最大的应用是在数控机床的制造中，因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以被认为是理想的数控机床的执行元件。早期的步进电机输出转矩比较小，无法满足需要，在使用中和液压扭矩放大器一同组成液压脉冲马达。随着步进电动机技术的发展，步进电动机已经能够单独在系统上进行使用，成为了不可替代的执行元件。比如步进电动机用作数控铣床进给伺服机构的驱动电动机，在这个应用中，步进电动机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。步进电机也可以作为数控蜗杆砂轮磨边机同步系统的驱动电动机。除了在数控机床上的应用，步进电机也可以并用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。第一章 步进电动机原理根据机电能量转换原理，步进电动机与通常的的交流或直流电动机无异，是将电能变成机械能的电磁元件。但它的运行原理等方面存在特殊性。所以我们在使用前必须先了解其原理，才能在设计时灵活运用。1。1 步进电动机的分类1。 按工作原理分类：激磁式（电磁式）步进电动机的定子和转子均有绕组，靠电磁力矩使转子动。反应式（磁阻式）图—1转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。永磁式 图—2转子和定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制成。绕组轮流通电，建立的磁场与永久磁钢的恒定磁场相互作用产生转矩。混合式（永磁感应式）图—1图—22。 按输出转矩的大小分类：1快速步进电动机电动机的输出转矩一般为0。07～4Nm，可以控制小型精密机床的工作台，例如线切割机床。2功率步进电动机电动机的输出转矩一般为5～40Nm，可直接驱动机床的移动部件。此外，按励磁相数可分为三相、四相、五相、六相、等等。相数越多，步距角越小，但结构越复杂。按运动方式分为旋转运动、直线运动、平面运动等。按定子排列还可分为径向式（单段式）和轴向（多段式），轴向式的转动惯量小，快速性和稳定性好，功率步进电动机多为轴向式。1。2 步进电动机的结构与原理1结构特点步进电动机由定子和转子两大部分组成。我们以三相步进电动机为例。三相反应式步进电动机的结构简图（如图—3）所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组 ，转子上有均布的四个齿。图-32 工作原理步进电动机的工作原理，其实就是电磁铁的工作原理，当U相通电，V、W相不通电，如图3所示，1、3齿与U相对齐；当V相通电，U、W相不通电，如图3所示，2、4齿与V相对齐；当W相通电，U、V相不通电，如图3所示，1、3齿与W相对齐。由此可见，当通电顺序为U→V → W→U →V →…时，转子便顺时针方向一步一步地转动，通电状态每换接一次，转子前进一步，一步对应的角度称为步距角。电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距的位置，一个齿距所对应的角度称为齿距角（此例中齿距角为90度）当改变通电顺序时，将改变转子的转向。通电方式单相轮流通电方式每次切换前后只有一相绕组通电。在这种通电方式下，电动机工作的 稳定性较差，容易失步。上述例子即为单向轮流通电方式，称为三相单三拍通电。单双相轮流通电方式上述两种通电方式的组合。即通电方式为：U → UV → V → VW→W → WU →U →… 称为三相六拍通电，如图-4所示。 三相六拍通电方式的步距角减小一倍。图-41。3 步进电动机的选择我们在选择步进电动机的时候，要先要了解它的性能和特点。具体的反映在一些参数上。步进电机的一些基本参数：电机固有步距角：它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0。9°/1。8°（表示半步工作时为0。9°、整步工作时为1。8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。步进电机的相数：是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0。9°/1。8°、三相的为0。75°/1。5°、五相的为0。36°/0。72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。保持转矩（HOLDING TORQUE）：是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N。m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N。m的步进电机。DETENT TORQUE：是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。步进电机的一些特点：1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。2．步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。第二章 方案选择在设计步进电动机的驱动系统前我们应该针对工作所面对的对象选择正确的方案，首先要清楚开环与闭环控制的区别。2。1 开环控制与闭环控制一般而言,步进电机的控制方式可以分为开环控制和闭环控制两种。开环控制的步进电机驱动系统的输入脉冲不依赖与转子的位置,而是事先按一定规律给定的。在这里,负载位置对控制电路没有反馈,因此步进电机必须正确的响应每次励磁变化,如果励磁变化太快,电机不能够移动到新的要求位置,那么实际的负载位置相对控制器所期待的位置将出现永久误差。如果负载参数基本上不随时间变化,那么相与相之间控制信号的延时设置比较简单,但是在负载可能变化的应用场合下,延时必须以最坏的情况进行设定。并且这样确定的控制方式对于其他负载而言并非最佳,这其实就限制了开环控制的应用范围。开环控制还有一个缺陷就是电机的输出转矩和速度在很大程度上取决于驱动电源和控制方式。对于不同的电机或者同一种电机不同的负载,很难找到通用的加减速规律,因此使提高步进电机的性能指标受到限制。闭环控制是不断直接或间接地检测转子的位置和速度,然后通过反馈和适当的处理,自动给出脉冲链,使步进电机每一步都响应控制信号的命令,从而只要控制策略正确电机不可能轻易失步。初始是电机系统受一相或几相励磁而静止。开始工作时先把目标位置送入减法计数器,然后将启动信号加到控制单元,控制单元把命令信号送到相序发生器,使励磁变化一次。电机以负载参数决定的速率开始加速。当第一步位置快到时,位置检测器产生一个送到减法计数器和控制单元的脉冲。减法计数器减一,负载相对目标位置响应减一。在这里注意闭环控制中减法计数器记录的是实际的负载位置,而在开环控制中计数器只寻要记录送给电机的步进命令数,并不保证这些命令是否被执行。送达控制单元的位置检测脉冲用来产生下一步命令。负载越大则达到第一步位置所花的时间就越长，相继的步进命令之间的时间间隔就越长，因而自动适应了比较慢的加速速率。电机开始减速的时刻由减法计数器决定。在减速期间，执行的步数取决于负载条件，惯量大、转矩小的负载需要更多的减速步数。如果实际的负载条件没有最坏的情况那么严重，那么系统在达到目标位置前的步进速率将底于启动频率，因此就会可靠地停止。当减法计数器为零时，则表示要求的步数已执行完毕。这时减法计数器发出一个停止信号控制单元，从而禁止以后的步进命令，系统工作停止。综上所述，闭环控制的励磁延时设置随负载而变化，他能产生接近最佳的速度曲线和快速的负载定位。并且一般采用直接监视负载位置的方法，因此发生失步的可能性大大减小。在本实验中因为要求不是很高，所以只要采取最简单的开环控制系统，用来实现步进电动机的正转、反转、加速、减速。第三章 系统原理与设计3。1 系统原理步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件。步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。步进电动机转子转动的速度取决于脉冲信号的频率，总位移量取决于总的脉冲数，它作为伺服电动机应用于控制系统时，可以使系统简化，工作可靠，而且可以获得较高的控制精度。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统，如图-5所示图-53。2 驱动电源环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。§3。2。1 环形分配器环形分配器是根据指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到放大器上，使各相绕组按一定的顺序和时间导通和断开，并根据指令使电动机正转或反转，实现确定的运行方式。环形分配器可以由硬件和软件两种方式实现。硬件环形分配器硬件环形分配器由门电路和双稳态触发器组成的逻辑电路构成。集成脉冲分配器L297是专为四相步进电动机设计的环形分配器。它有四个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合四相步进电动机的要求。若采用CL脉冲输入端，是上升沿触发，同时EN为使能端，EN＝1时工作，EN＝0时禁止。CW为方向控制端，控制正反转。改变输入CL的脉冲可以使步进电动机加速、减速。19脚为半步、全步选择端，当输入高电平时为全步方式转动，低电平相反。20脚为复位输入端。如图-6图-6软件环形分配器一般微机系统需要进行如下设置：设置输出接口 设输出口的P1。0接A相；P1。1接B相；P1。2接C相。P1。3接D相；设计环形分配子程序；在存储器中建立环形分配表；设计延时子程序；设计延时子程序来控制步进频率；当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。§ 3。2。2 驱动电路单电压限流型驱动电路这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。双电压驱动电路这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。斩波驱动电路斩波电路的出现是为了弥补双电压电路波形呈现凹形的缺陷，改善了输出转矩的下降，使励磁绕组中的电流维持在额定值附近升频升压驱动电路为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。专用功率放大器L298是专用的功率放大器，是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达46V;输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作;有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。3。3 系统设计控制步进电动机的方案有很多种，这里我所采用的是L297和L298芯片实现驱动步进电机的一种简单方法,利用该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简单、软件编程容易和价格低廉的特点。其中主要的是利用L297为环形分配器，L298为功率放大器，555电路产生脉冲输入18脚，通过改变脉冲的频率，使步进电动机加速、减速。这个可以在WEB上实验出来，频率改变的情况如图-7。改变17脚的电平高低，使步进电动机正转，反转。总体来说系统如图-8图-7图-8说明（我所选用的日本产的四相步进电动机，在电动机上有5根线，在接入时候需要区分电源接线，ABCD四相也要从试验中找出。接13，14脚电阻市场上一般买不到，我用两个0。5/5W的电阻代替。在电源的选用上我分别做了一个5V和12V的直流稳压电源，在接入时必须共地。二极管选用4007比较保险。滤波电容都选用100∪F的。）结论及展望步进电动机在工作和生产中有着十分现实的意义，而它的控制系统又是其关键所在。本文对控制系统的原理进行了细致的分析，设计出了一套驱动系统硬件电路，经过分析与制作，现场运行后证明该设计是现实可行的。本系统能够实现步进电动机的转速与方向控制，有着成本底，硬件结构简单，软件编程容易，易操作的特点，同时能够实现步进电动机的不失步运行，从而提高了电机的稳定性。但也存在的不足，因为不是闭环控制，在具体工作中还有精确性的问题，限制了本系统在更广阔的领域里运用。针对问题，再结合现在的研究发展方向，我构思了一种新的方案。该方案采用闭环控制电路、单片机和步进电机的细分控制。在控制中用计数器记数和数码管的显示按键次数，也就是控制脉冲的个数，在步进电动机中脉冲的个数与电机转过的角度成正比。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，这样可以对角度精确控制。然后采用步校验，它采用低分辨率的光电编码器来统计移动步数。用一个简单的电路来比较指令步数和测量到的步数，以校验步进电机是否已移动到指定位置。由于时间与精力有限，目前此系统的设计与制作还没有完成，有待进一步工作。参考文献【1】 步进电机控制技术入门 作 者：王鸿钰编著 出版社：同济大学出版社,1996【2】 步进电动机及其驱动控制系统 作 者：刘宝廷编著 出版社：哈尔滨工业大学出版社,1997。【3】 电子技术基础 作 者：康华光编著 出版社：高等教育出版社，1998【4】 电子线路设计·实验·测试 作 者：谢自美编著出版社： 华中科技大学出版社，2002【5】 MCS-51 系列单片机应用系统设计及使用技术 作 者：鲍宏亚编著 出版社：中国宇航出版社，2005【6】步进电机细分调速系统的研究 作 者：陆春 北京交通大学硕士毕业论文，2003【7】 控制用电机入门 作 者：松井信行 出版社： 科学出版社，2000【8】步进电动机细分驱动技术综述 作 者：华蕊 佛山科学技术学院学报（自然科学版），1999【9】 三种典型的步进电动机驱动电路特性分析 作 者：朱志坚凌波 王树国 新疆工学院学报，1999【10】 同步电动机调速系统。 作 者：李志民，张遇杰 出版社：机械工业出版社，199621世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台直流无刷伺服电机运动控制系统设计Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。 在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。 MotionChip的特点 MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点： 可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中； 可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作； 全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环； 可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制； 可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）； 使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯； 基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。 可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。 运动控制系统设计 本文是以MotionChip为控制器核心，直流无刷电机/有刷电机/永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。设计指标为：适应12―36V宽范围直流母线电压输入，工业标准5V逻辑电源输入，最大输出电流3A，峰值电流6A。在进行伺服控制器设计之前，根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进行总体功能设计如下： 采用位置环、速度环、电流环的三环结构；三环都采用PID调节器；电机参数设置采用计算机辅助计算和工程整定相结合的办法； 具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进行独立参数设置，有网络通讯接口进行独立参数设置，有网络通讯接口方便外部监视和控制。 伺服系统的总体系统结构可以分为：MotionChip最小系统、驱动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等，如图1所示。伺服驱动器的硬件结构分为2个主要部分：驱动电路部分：主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测； 控制电路部分：包括反馈检测、外部控制接口、通讯接口、MotionChip最小系统。 控制系统设计 在MotionChip的基本系统中，选用美国 Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650来存储TML运动指令。该EEPROM的存储容量为8K×8bit，最大时钟频率可达5MHz。由于在MotionChip正常运行时指令访问时间21ns，所以为了使程序高速有效的运行，增加了2片32可×8bit的静态RAM：ASC256-12JC，该SRAM的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取数据时不需要插入等待状态。并且该SRAM具有较低的活跃功耗，在待机状态时可自动进入更加低功耗的节能状态。MotionChip芯片本身提供了电机控制专用的接口，包括6路PWM信号，在使用中可以配置作为三相电机逆变桥的驱动信号。当保护中断PDPINT有效或电机使能信号ENABLE无效时，6路PWM信号立即进入高阻状态，使逆变桥全部截至，电机停转。另外，MotionChip为每个PWM输出对提供了可编程死区时间设置（0―102μs），所以不需要外部的死区逻辑电路。码盘反馈信号接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脉冲信号，ENCZ是码盘清零信号。MotionChip可以对ENCZ和ENCB信号进行四倍频和辨向，然后送入增量计数器计数产生电机的位置信号，码盘清零信号ENCZ可对计数误差进行修正。电机霍尔反馈信号HALL1，HALL2，HALL3，是为直流无刷电机/永磁同步电机进行定位磁极设计的。其它重要引脚如DIR、PULSE直接作为电机脉冲指令的输入接口。LSP，LSN可用来扩展作为运动系统左、右限位事件的捕捉输入。MotionChip有2个10位的A/D转换器，每个都内建了采样保持电路，最快采样速率可达10kHz。模拟信号的输入范围通过MotionChip参考电平输入管脚VREFLO和VREFHI确定。MotionChip可以工作在独立运行和检测引脚AUTORUN进行方式选择的，该引脚接高电平，MotionChip工作在从属方式，接低电平工作在独立运行方式。在独立方式的工作条件下，MotionChip上电后，选检测到AUTORUN的低电平，进入独立运行方式；然后自动从SPI串行EEPROM中的开始执行TML程序。 驱动系统设计 电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM驱动电路和电流检测。 电机的PWM驱动电路如图2所示。本电路中，无刷直流电机采用全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向驱动、制动）。驱动一个无刷直流电机需要6路PWM信号，而MotionChip的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。所以在电路中，直接选用事件管理模块B（EVB）中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出引脚为PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥，PWM10~PWM12输出驱动下半桥。DSP输出的这两种3路PWM信号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFET功率管桥路的上半桥（Q1，Q3，Q5）和下半桥（Q2，Q4，Q6）进行电机的驱动。 电流检测 电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言，传统的过流保护却显得过于昂贵。电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一0.027Ω采样电阻如图3（a），采样电流范围为0~6.22A，采样后的电压放大倍数为14.63倍，放大电路如图3（b），并经2.5V电压抬升输入DSP，所以输入DSP的电流模拟电压量为： UAD=2.5+I×0.027×14.63。 MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V，所以电流采样经量化的值为： 应用 加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，检测数据的自动存储、分析与评判，同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。 加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台，从系统要求的性能指标来看，控制系统需要满足如下指标： 水平扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调； 能够实现粗扫查和精密扫查，对指定的区域实现精密扫查； 系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换； X轴（水平）和Y轴（垂直）2个方向上的运动误差≤±1mm。 系统硬件设计 由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。若要两台电机协同控制，则须通过RS485总线将其连接起来。控制系统的总体结构如图4所示。X向电机用来控制丝杠的运动：选用EC-max32，无刷70W+减速器为行星轮减速箱（速比为23，型号为GP 32C）+码盘（三通道500线）。Y方向电机用来控制探头的运动，采用RE-32，有刷80W+减速器为行星轮减速箱，型号为GP42C（速比为33）+码盘（三通道500线）。图5示出硬件连接图。 系统软件设计 控制系统的软件是基于Vc++和MotionChip的动态链接库设计的，软件主要完成对探头位置的运动控制，如图6。 用户操作界面功能有： 参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数（如扫查长度，探测宽度）和控制参数（如速度参数、加速度参数等）； 任何时刻，控制程序都时刻监视系统的运行状况，随时对系统故障做出相应的处理。软件部分包括X向运动和Y向的扫查运动，数据存储及处理，手动控制，故障处理，运动状态显示及故障显示等。操作界面（GUI）给予清晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来，便于监控。任务编程模块将要实现控制任务的规划，如X轴向和Y轴向运动等，包括故障查询、处理。 运行效果 智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败，为此用一直流电机对驱动器进行测试，电机的电流和位置误差如图7（a）、（b）所示，从图7中可以看出，驱动器的响应时间只有0.12s，位置误差很小。通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示，在实时性要求不是非常严格的情况下，以RS232串口或者485串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。 结语 本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片Motionchip，进行了伺服控制器设计和实践研究，并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。将该控制器运用到加氢反应器超声检测成像系统中对二维的运动进行控制，保证了整个系统取得良好的性能。Motionchip这种多功能专用的运动控制芯片不仅简化了整个系统的设计过程，而且具有很好的开放性和网络性，对中小型项目是非常理想的设计方案。21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台伺服电机设计论文1.伺服电动机的概念用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。2.伺服电动机的工作原理1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。 直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。 2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。3.伺服电动机的分类伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。电动机转速n为 n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。4.伺服电动机的特点一般分为直流伺服和交流伺服.对于直流伺服马达 优点:精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势 缺点:电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒(对于无尘室)对于交流伺服马达 优点:良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率，90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境 惯量低;缺点:控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线5.交流伺服电动机的发展现状随着数控技术的迅速发展，伺服系统的作用与要求越显突出，交流伺服电动机的应用也越来越为广泛。针对直流电动机的缺陷，如果将其里外作相应的调整处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性，其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能6.与步进电机的性能比较 步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以山洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。7.选型计算方法 一、转速和编码器分辨率的确认。 二、电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算。 三、计算负载惯量，惯量的匹配，安川伺服电机为例，部分产品惯量匹配可达50倍，但实际越小越好，这样对精度和响应速度好。 四、再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置。 五、电缆选择，编码器电缆双绞屏蔽的，对于安川伺服等日系产品绝对值编码器是6芯，增量式是4芯。8.交流伺服电动机的发展趋势作为数控机床的重要功能部件，伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标。围绕伺服系统动态特性与静态特性的提高，近年来发展了多种伺服驱动技术。伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分。伺服系统在加工机械、半导体制造、部件组装等方面得到了广泛的应用。随着中国从制造业大国迈向制造业强国的进程和全数字式交流伺服系统的性能价格比逐步提高，交流（AC）伺服系统作为控制电机类高档精密部件，其市场需求将稳步增长。交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，其势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服电机。AC伺服系统当前的发展趋势:1、高效率化 高速、高精、高性能化尽管这方面的工作早就在进行，但是仍需要继续加强。主要包括电机本身的高效率，也包括驱动系统的高效率化，采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、直线电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。2、通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机。3、智能化现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。4、网络化和模块化现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部软件和硬件的模块化和可重用。5、小型化和大型化无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展，比如20，28，35mm外径；同时也在发展更大功率和尺寸的机种，已经看到500KW永磁伺服电机的出现。体现了向两极化发展的倾向。21世纪是一个崭新的世纪，也定将是各项科学技术飞速发展的世纪。相信随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，同时伴随着制造业的不断升级和制造技术的快速发展，必将为加工和制造技术的核心技术之一的伺服驱动技术迎来又一大好的发展时机！21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台目 录一、任务与要求……………………………………………………3二、设计方案………………………………………………………3三、硬件设计原理…………………………………………………4四、软件设计………………………………………………………7五、调试……………………………………………………………9六、收获和体会……………………………………………………9七、参考文献………………………………………………………9步进电机转速实时控制一、任务与要求步进电机转速实时控制要求控制步进电机正转、反转，以及对步进电机的转速进行实时控制。1，用8086处理器和可编程并行接口芯片8255组成控制系统，掌握步进电机与8255的接口电路原理；2，理解步进电机正、反转工作原理和转速控制原理3，能编制出步进电机正、反转运行程序（以3种不同速度）；低速正转和高速反转程序，并写出较完整的设计程序二、设计方案根据课题要求，用8086处理器和可编程并行接口芯片8255组成控制系统，控制步进电机正转、反转以及转速控制，步进电机不能直接由8255驱动，而需要用相应的驱动芯片，因此，控制系统直接控制电机驱动即可控制步进电机。设计流程图如下：(8086CPU8255步进电机步进电机驱动)三、硬件原理与设计系统硬件子系统的构成：本设计采用的步进电机为35BYJ46型四相八拍电机，电压为DC12V，其励磁线圈及其励磁顺序如下图及下表所示：1 2 3 4 5 6 7 85 + + + + + + + +4 - -3 - - -2 - - -1 - - -2、步进电机工作原理以及与8255接口的关系：(实验线路图)3、工作原理：四相步进电机示意图见下左图，转子由一个永久磁铁构成，定子分别由4组绕组构成(电机定子和转子示意图) (电气连接示意图)当S1连通电源后，定子磁场将产生一个靠近转子为N极，远离转子为S极才磁场，这样的定子磁场和转子的固有磁场发生作用，转子就会转动，正确地S1、S4的送电次序，就能控制转子旋转的方向。例如：若送电的顺序为S1闭合断开S2闭合断开S3闭合断开S4闭合断开，周而复始的循环，在定子和转子共同作用下，电机就瞬时针旋转：若送电的顺序为S4闭合断开S3闭合断开S2闭合断开S1闭合断开，周而复始的循环，则电机就逆时针旋转，原理同理。8255A向步进电机发出的控制脉冲4、8255工作方式选择：8255有三个数据端口（A口、B口、C口），8255有三种基本的工作方式，分别为：方式一（基本输入/输出方式），方式二（选通输入/输出方式），方式三（双向总线I/O方式）。其中A口可选择三种方式中的任意一种，B口只能选择方式0或方式1，C口常用作两个4为端口，若工作于方式0，其高四位工作方式与A端口一致，低四位与工作方式与端口B一致；若工作于其余两种方式，端口的部分信号作为A口和B口的控制联络信号。其方式选择控制字如图所示：四、软件设计DATA SEGMENTTABLE1 DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09HTABLE2 DB 08H,0CH,04H,06H,02H,03H,01H,09HDATA ENDSCODE SEGMENTASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: MOV AX,DATAMOV DS,AXMAIN: MOV AL,90HOUT 63H,ALMOV DX,0005HA1: MOV BX,OFFSET TABLE1 ；中速正转程序MOV CX,0008HMOV DI,2000HA2: MOV AL,[BX]OUT 61H,ALCALL DALLYINC BXLOOP A2DEC DXJNZ A1MOV DX,0008HA3: MOV BX,OFFSET TABLE1 ；高速正转程序MOV CX,0008HMOV DI,1000HA4: MOV AL,[BX]OUT 61H,ALCALL DALLYINC BXLOOP A4DEC DXJNZ A3MOV DX,0005HA5: MOV BX,OFFSET TABLE1 ；低速正转程序MOV CX,0008HMOV DI,5000HA6: MOV AL,[BX]OUT 61H,ALCALL DALLYINC BXLOOP A6DEC DXJNZ A5MOV DX,0005HB1: MOV BX,OFFSET TABLE2 ;低速反转程序MOV CX,0008HMOV DI,5000HB2: MOV AL,[BX]OUT 61H,ALCALL DALLYINC BXLOOP B2DEC DXJNZ B1MOV DX,0008HB3: MOV BX,OFFSET TABLE2 ;高速反转程序MOV CX,0008HMOV DI,1000HB4: MOV AL,[BX]OUT 61H,ALCALL DALLYINC BXLOOP B4DEC DXJNZ B3DALLY: PUSH CXMOV CX,DIC1: PUSH AXPOP AXLOOP A3POP CXRETCODE ENDSEND START五、调试控制程序编写好后，首先进行查错、编译，然后下载到实验系统里面运行，观察步进电机的运行情况是否与预期一致，也就是观察步进电机能否实现正转、反转以及变速；如果都能实现，还可以修改程序，实现速度的任意调整，以及正转、反转步数或圈数的控制。六、收获和体会通过本学期对微机原理课程学习以及这次课程设计的实践锻炼，首先我对微机原理这门课程涉及到的理论知识有一定认识，从此计算机对来说我不再那么神秘，计算机的工作原理以及内部结构都有一定了解；其次我也掌握了计算机的一些基本编程方法，通过这次课程设计锻炼，将书本上的编程理论应用到实际编程控制中，对编程技术的提升有很大帮助，同时也让我深刻体会得到程序的作用；最后，这次课程设计让我从理论迈向实践，在这个过程中，我自己经历了一次从课题要求到电路设计再到程序编写的完整过程，对动手锻炼和实践操作都有很大帮助。七、参考文献1、张荣标：微型计算机原理与接口技术，机械工业出版社；21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台摘要树脂浇注干式变压器是应用最为广泛的干式变压器。其绕组表面由高质量的防护材料组成，进而形成一个覆盖层。即使是在尘埃、潮湿等恶劣环境条件下，对浇注绝缘干式变压器都不会产生影响；其采用的以环氧树脂为基料的绝缘胶具有较强的难燃性，因而不会在发生火灾时助燃；浇注成型绕组的热容量大，因而超铭牌额定值运行能力也强；同时它不像油浸式变压器那样需要定期试验及长期停运后通电干燥处理等措施，简便的维护使得它更受人们青睐。可以预见，随着国民经济的发展，人们对树脂浇注干式变压器的需求量将迅猛增加，同时，对我国的变压器研究事业将产生重要推动作用。本文在介绍了干式绝缘变压器基础知识的基础上，概述了树脂浇注绝缘干式变压器的技术规范及结构特点，而且，对于生产实际中可能遇到的技术问题，也给出了一些意见及解决方案。在此基础上介绍了其设计理论基础及主要工艺流程，并且以SCB10-1300/35为例，列出了树脂浇注干式变压器如何进行材料的选取以及设计的详细计算过程，包括从变压器铁心、绕组、绝缘、损耗、短路阻抗到树脂等绝缘材料的重量等。由于电子计算机已经成为科学研究领域中一个不可缺少的工具，在变压器制造业也得到广泛应用。关键字：树脂浇注，绕组，干式变压器，技术规范，SCB10-1300/35目录1绪论 11.1干式变压器发展概况 11.2干式变压器类型 31.3干式变压器结构及优点 62树脂浇注绝缘干式变压器设计的理论基础 82.1绝缘材料的选择 82.2铁心的选择 92.3绕组的选择 102.4环氧树脂浇注工艺特点 113树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算 153.1变压器设计计算的任务 153.2变压器设计计算步骤 163.3树脂浇注干式变压器设计的详细计算 174总结 351绪论1.1干式变压器发展概况19世纪初英国法拉第确定了电磁感应原理后，1885年，匈牙利拉提、德利、齐佩诺夫斯基三位工程师发明了变压器及感应电机，并研制出第一台工业实用性变压器距今已有一个多世纪了。当时和以后的一段时期内，所生产的变压器无例外的均为干式变压器。最初制成的配电变压器及其后的一段时间内制造的变压器，均是以空气绝缘介质的干式变压器。为了满足远距离电力输送的需求，就必须提高输电电压等级，这样就势必寻找提高电力变压器绝缘结构耐电强度的途径，于是矿物质油作为电力变压器的绝缘介质而被广泛应用于电力变压器中，从而产生了油浸式变压器。半个多世纪以来，世界上许多城市都以极高的速度向现代化发展。随着城市的发展，城市供电负荷逐年增长。为了确保安全，人们迫切需要一种既可深入负荷中心又无燃烧危险的变压器，而油浸式变压器在这方面却有它不可避免的缺陷。干式变压器由于具有结构简单、维护方便、防火、阻燃、防尘等特点，正好能够满足人们的迫切需要，因此，近年来在国内得到迅猛发展（见图1-1）。干式变压器广泛安装使用在工业与民用高层建筑内，以及矿山、井下、地铁、船舶、机场及火车站等地。我国干式变压器制造技术在自主开发基础上，引进了德国、瑞士、意大利、葡萄牙等国多家公司的有关10kV、35kV干式变压器系列的设计，制造等多种技术，并已批量生产10kV、35kV干式变压器，技术水平与产品质量与国外相当。随着干式变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，可以预测，未来的干式变压器将在如下几方面获得进一步发(1)节能低噪：随着新的低耗硅钢片，卷绕铁心结构，箔式绕组结构，环境保护要求，噪声研究的深入，以及计算机优化设计等新材料、新工艺、新技术的引入，将使未来的干式变压器更加节能、更加宁静。图1-1 干式变压器(2)高可靠性：提高产品质量和可靠性，将是人们的不懈追求。在电磁场计算、波过程、浇注工艺、热点温升、局放机理、质保体系及可靠性工程等方面进行大量的基础研究，积极进行可靠性认证，进一步提高干式变压器的可靠性和使用寿命。(3)环保特性认证：以欧洲标准HD464为基础，开展干式变压器的耐气候(C0、C1、C2)、耐环境(E0、E1、E2)及耐火(F0、F1、F2)特性的研究与认证。(4)大容量：从50～2500kVA配电变压器为主的干式变压器，向10000～20000kVA/35kV电力变压器拓展，随着城市用电负荷不断增加，城网区域变电所越来越深入城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心，35kV大容量的小区中心供电电力变压器将获广泛应用。(5)多功能组合：从单一变压器向带有风冷、保护外壳、温度计算机接口、零序互感器、功率计量、封闭母线及侧出线等多功能组合式变压器发展。(6)多领域发展：从以配电变压器为主，向发电站厂用变压器、励磁变压器、地铁牵引整流变压器、大电流电炉变压器、核电站、船用及采油平台用等特种变压器及多用途领域发展。其中，用于城市地铁及轨道交通的干式牵引变压器，电压有10、20和35kV三个等级，容量有800、2500和3300kVA，为减少谐波污染，从12脉波整流发展到24脉波整流。可以预言，21世纪的配电变压器将属于性能优越、低噪声及节能的干式变压器。1.2干式变压器类型目前，我国生产的干式变压器，按其制造工艺可分为四类：①树脂浇注式。②浸渍（空气）式。③绕包绝缘式。④复合式。1.2.1树脂浇注绝缘干式电力变压器树脂浇注式的工艺特点就是必须依靠模具并采用专用浇注设备，在真空状态下使线圈浇注成型。它又分为有填料树脂浇注和无填料树脂浇注两种类型。有填料树脂浇注绕组，由于在树脂中加入石英粉作为填料，可使树脂机械强度增加，膨胀系数减小，导热性能提高，从而可降低材料成本，且绕组外观较好。有填料树脂浇注又分为厚层有填料树脂浇注和薄层有填料树脂浇注两种形式。变压器高压线圈导线全部被玻璃纤维增强的薄层树脂包封，浇注原料为进口材料，不加任何填料，绝缘层厚度仅为1.5～2mm。因而大大加强了树脂包封层的机械强度。同时，树脂包封层即韧又薄，富有弹性，可随线圈一起膨胀或收缩，不会发生开裂。另外，在线圈内设置轴向气道，可以增加线圈的散热面，从而散热能力好，产品过载能力强。低压线圈采用铜箔绕制，在层间用DMD预浸纸作为绝缘层，在箔绕机上绕好后再加热固化成型，这种箔绕线圈可以降低变压器辐向漏磁，从而使轴向机械力减小，相应提高了抗短路强度，降低附加损耗。此外由于线圈是整体浇注，所以机械强度高抗电路能力强。树脂浇注绝缘的特点：(1)阻燃。环氧树脂为基料的绝缘胶，由于其自身的难燃性，因而不会在发生火灾时助燃。(2)防潮和耐尘。由于绕组表面喷了三防漆，形成了覆盖层，因而在尘埃、潮湿等恶劣环境条件下，对浇注绝缘干式变压器不会产生影响。3)结构坚固。绕组表面包封以绝缘胶的包封层，故绕组的机械强度提高，因而抗短路强度也相应提高，一般均能可靠地通过短路试验。(4) 超铭牌额定值运行能力强。浇注成型绕组的热容量大，因而其超铭牌额定值运行能力也相应提高。(5) 维护简便。浇注绝缘干式变压器无需像油浸式那样，需要定期试验及长期停运后通电干燥处理等维护。浇注绝缘干式变压器是我国目前干变生产厂家最多，年生产量最大的产品，该技术产品引进的厂家也最多。1.2.2浸渍式干式电力变压器该种变压器生产历史最长，制造工艺也比较简单，但由于此种变压器受外界环境影响比较大，体积也比较大，比不上树脂，在国内外产量趋于减少，年产仅数万kVA。但有的用户仍然采用，主要是散热条件好，最热点温度比平均温升高出不多，温度比较均匀，过负荷能力强，热寿命长。1.2.3绕包绝缘干式电力变压器绕包绝缘干式变压器又称缠绕式树脂全包封干式变压器。绕组采用浸有树脂的长玻璃纤维丝用直绕和斜绕的方法把绕组包封起来，绕组在烘箱中边旋转边加温烘干。由于不需要模具，因此生产的灵活性较好。这种结构的绕组防开裂、抗短路能力优于浇注变压器。但是，由于无模成型使绕组外观比不上浇注式。而且绕包变压器价格贵，所以在中等容量范围内，其竞争力要比树脂型的低。但对10MVA及以上较大容量变压器，因绝缘更薄，故散热好。1.2.4复合式绝缘干式电力变压器混合式绝缘干式电力变压器兼有浇注绝缘和浸渍绝缘干式电力变压器的某些优点。通常高压绕组部分采用浇注绝缘，而低压绕组部分采用浸渍绝缘。这种结构方式可减少浇注设备的投资，而且在长期不用后在投入运行时不需要进行干燥处理。另外，还有一种混合式绝缘干式电力比亚其，其高压绕组采用绝缘浇注的绕组，而低压绕组采用铜箔绕制的箔式绕组，，层式绝缘则采用环氧树脂布，经加热固化形成一整体，绕组有环氧树脂端封，天津变压器总厂，原福州变压器厂生产的1600kVA干式电力变压器即采用此结构。1.3干式变压器结构及优点无论是哪种干式变压器，其基本结构包括是相同的，都包括：铁心、高低压线圈、铁心夹件、支撑件、防护外壳、风冷装置和热保护装置等（见图1-2）。图1-2干式变压器基本结构干式变压器同油浸式变压器相比较具有以下明显优点：干式变压器避免了由于运行中发生故障而导致变压器油发生火灾或爆炸的危险。由于干式变压器绝缘均为难燃材料，即使运行中变压器发生故障而引发火灾或有外来火源，也不会是火灾灾情扩大。干式变压器不会像油浸式变压器那样存在漏油问题，更无变压器油老化等问题，干式变压器的运行维护和检修工作量大为减少，甚至可以免维修。干式变压器一般为户内式装置，通常可以和开关柜安装于同一室内，并和开关柜共用同一外壳，从而减少安装面积。干式变压器由于无油，故其所属附件也少，也无密封等问题。总之，与传统的油浸式变压器相比，干式变压器体积小，重量轻，占地空间小，安装费用低，防火消防措施简单。因无火灾、爆炸之虑，可分散安装在负荷中心，充分靠近用电点，从而降低线路造价和节省昂贵的低压设施费用。冷却方式一般采用空气自然冷却(AN)。对于任何防护等级的变压器，都可配置风冷系统(AF)，以提高短时过载能力，确保安全运行。2树脂浇注绝缘干式变压器设计的理论基础多年来，国内外专家学者已经在树脂浇注干式变压器的设计方面做了大量的研究，并积累了丰富的制造经验，该技术已得到广泛应用。随着干式变压器结构的改进和对性能要求的提高，对环氧树脂及其辅料的技术指标要求也随之提高，对浇注工艺也提出了更高要求。为了满足干式变压器的电气和机械性能的要求，要进行合理地选择干变的铁心、绕组、绝缘材料，还必须有可行的浇注工艺。这一章主要研究这些内容。图2-1 树脂绝缘干式变压器生产工艺流程2.1绝缘材料的选择树脂绝缘干式变压器通常采用的绝缘材料，有聚脂树脂和环氧树脂，这两种树脂的电气性能和机械性能相差无几，但在固化时两者的体积收缩率却相差较大，聚脂树脂收缩后的残余应力较大，容易产生开裂现象，因而浇注绝缘干式变压器广泛地采用环氧树脂。另外，从降低局部放电的角度考虑，由于环氧树脂对导线的粘着力很强，在合理的工艺条件下，不易产生空隙，从而可降低局部放电的可能性。同时，它不仅是一种难燃、阻燃的材料，而且具有优越的电气性能。参见表2-1：变形温度/℃ 90～100线膨胀系数/K-1 60～70导热系数/ [W/（m·k）] 0.2～0.3抗弯强度/（N·mm-2） 130～150抗张强度/（N·mm-2） 80～90压缩强度/（N·mm-2） 130～150介质损失角正切tanδ（%） 1介质常数ε 4体积电阻率/（Ω·cm） 1016～1017绝缘击穿电压/（kV·mm-1） 18～22表2-1用于干式变压器的环氧树脂的材料性能2.2铁心的选择干式变压器的铁心由磁导率很高的晶粒取向冷轧硅钢片叠装并经夹紧装置构成。现代干式变压器硅钢片的厚度（0.27--0.35mm）很薄，因而其中涡流损耗很小。作为变压器的内部骨架，其夹紧是通过铁心的夹紧装置将硅钢片成为机械机构上的整体，并在其上套有绕组，支持着引线，并安装变压器所有部件。我国生产的干式变压器中均采用心式铁心，即绕组包围了铁心柱的结构型式。铁心的质量约占变压器质量的55%，为框形闭合结构。目前，我国在干式电力变压器铁心中基本上采用冷轧硅钢片。硅钢片在炼钢过程中加入了3%--5%的硅，以便提高硅钢片的导磁率和电阻率，减少硅钢片中磁滞损耗和涡流损耗。不可以加过多，否则硅钢片会变脆而使加工困难。2.3绕组的选择2.3.1绕组用材料干式变压器绕组的导电材料主要是用铜线和铝线。铜的机械强度比铝高，电阻系数比铝小。对于树脂绝缘干式变压器而言，铝导线或箔导线组的包封绝缘可以减小开裂的可能性。但由于包封绝缘尺寸和形状不同产生不同的收缩量，采用铝电磁线也不绝对避免开裂；应适当调整所加填料比，增填料，或加入增韧剂，可减小膨胀系数。由于铝箔的线膨胀系数与树脂加石英粉的线膨胀系数比较接近，所以一般树脂加石英粉的浇注变压器，其导线多用铝箔。而铜箔与树脂加玻璃纤维的线膨胀系数更接近，因此用这两种导体材料问题均不大。但铜箔变压器价格要比铝箔的贵20%～30%。在变压器容量相同条件下，绕组为铝导线的截面积比铜的要大，导线电流密度要小。在负载损耗和短路阻抗相同情况下，铝线绕组变压器的铁心直径比铜的要小，铁窗高度要高。这种情况下可考虑用铜导线。对于树脂绝缘干式变压器，导线绝缘为相应耐热等级的绝缘漆和玻璃丝。2.3.2绕组型式对树脂绝缘而言，由于工艺上的原因，均无法采用饼式绕组。树脂绝缘干式变压器的高压绕组多采用层式绕组或分段层式绕组，段间距离可根据导线尺寸和段间电位差而采用梯形结构。一般分段的段间高度可控制在15—20 mm范围内。一般分四段，分段数目过多也无必要。低压绕组采用“类似螺旋式”即取消段间气道的螺旋式绕组、箔式绕组。若采用箔式绕组，树脂绝缘干式变压器的绕组包封绝缘厚度可能受工艺因素的影响，出现包封绝缘层厚度不均匀的情况。因此决定包封绝缘厚度起作用的不是理论计算的厚度，而是实际绝缘厚度，该厚度满足机械强度和电气强度要求。当采用薄绝缘条件下，包封厚度为2mm左右。2.4环氧树脂浇注工艺特点2.4.1无填料树脂浇注这种纯树脂浇注的干式变压器内外绝缘厚度一般为1.5～2mm，属于薄绝缘。目前我国使用的产品以这种结构最多，其结构特点为：变压器高、低压绕组内外层采用玻璃纤维增强，在真空状态下采用环氧树脂用模具进行浇注，线圈导体外部形成富有弹性的既韧又薄的树脂包封层，它可随线圈一起膨胀和收缩，因而不再担心会发生开裂。另外，由于包封绝缘层的厚度很薄，既达到了包封的效果，又减少了包封绝缘层的温差，因而对改善浇注线圈的热传导是非常有益的。另外，薄绝缘结构还可以在线圈内设置轴向气道，这样就可以增加线圈的散热面，从而散热能力好，给制造大容量干式变压器提供了有利的条件。树脂结构产品与浇注图见图2.4.1。2.4.2有填料树脂浇注有填料树脂浇注绕组，由于在树脂中加入石英粉作为填料，可使树脂机械强度增加，膨胀系数减小，导热性能提高，从而可降低材料成本，且绕组外观较好。有填料树脂浇注又分为厚层有填料树脂浇注和薄层有填料树脂浇注两种形式。图2.4.1 树脂结构产品与浇注 图2.4.2 加填料结构的树脂a.厚层有填料树脂浇注早期的环氧浇注式干变都是采用厚绝缘的浇注式线圈，其低压绕组为铝箔绕制的F级圆筒式绕组，绕组端部用树脂浇注。高压绕组采用分段圆筒式结构，在真空状态下采用以石英粉为填料的环氧树脂用模具进行浇注。绝缘耐热等级为B级，树脂层的厚度一般为6～8mm。当变压器运行后由于发热极易致环氧浇注层的开裂，并形成小的空气隙，以致引发局部放电，这将严重威胁变压器的运行可靠性，加之由于局部放电所引起的电腐蚀还将大大缩短变压器的使用寿命。随着技术的进步，厚绝缘就逐步为薄绝缘所代替。b.薄层有填料树脂浇注这种变压器低压绕组采用铜线或铜箔绕制成圆筒式，高压绕组采用铜导线绕制成分段圆筒式。高低压绕组分别装入模具，在真空状态下采用以超细石英粉为填料的环氧树脂进行浇注，但是这必须在严格的工艺与先进的工装下进行，否则，就会出现搅拌不均匀或者在浇注过程中发生石英粉沉积现象。低压绕组内层树脂厚2.5mm，外层2.5～5mm。高压绕组内层树脂厚2.5mm，外层3.5～5mm。绝缘等级为F级。加填料结构的树脂产品与浇注见图2.4.2。2.4.3环氧树脂浇注工艺设备及特点环氧树脂浇注工艺属于模注成型技术，是干式变压器中浇注绕组较为成熟的一种工艺。世界许多国家都已广泛使用。浇注设备见图2.4.3。其主要特点是：1)绕组被固定在金属模内，注入的环氧树脂混合料渗透至绕组各层间，将其固化成型，使之与导线、绝缘材料牢固地结合成一体，固化成型后的绕组具有极高的机械强度。2)由于绕组和树脂混合料均在高真空状态下脱气，所以固化成型后，绕组的局部放电量很低。3)在凝胶过程中，保持一定的压力，使补偿罐内的树脂流入模腔内，以补偿因树脂固化收缩引起的缺料，防止出现浇注缺陷。4)在固化过程中，采用阶梯固化工艺，使绕组的内应力降到最低，避免绕组开裂。图2.4.3 环氧树脂浇注设备实图树脂浇注干式变压器绕组浇注质量的提高，会使变压器的局放水平和绝缘性能得到改善，延长变压器的使用寿命。就环氧树脂胶浇注工艺来讲，国内已在这方面作了大量研究工作，并积累了丰富的制造经验，该技术已得到广泛应用。随着干式变压器结构的改进和对性能要求的提高，对环氧树脂及其辅料的技术指标要求也随之提高，对浇注工艺也提出了更高要求。为了满足干式变压器的电气和机械性能的要求，除了合理设计环氧树脂混合料的配方外，还必须有可行的浇注工艺及合理的工艺参数。这样就能保证浇注品的优良性能，而这一领域的许多工作还有待于进一步的探索和研究，以不断提高浇注工艺水平和产品质量。3树脂浇注绝缘干式变压器设计的计算本章以树脂浇注干式变压器SCB10-1300/35的设计为例，详细列出了树脂浇注干式变压器的设计计算过程，以及每一步计算所涉及到的公式和原理。该变压器具有以上所述的树脂浇注干变的各项优点，是树脂浇注干变设计的典型实例。3.1变压器设计计算的任务变压器设计计算的任务是使产品设计符合国家标准，或者用户在合同中提出的标准和要求。在合同中通常包括以下一些技术规范：a.变压器的型式： 相数、绕组数、冷却方式、调压方式、耦合方式。b.额定容量，各绕组的容量，不同冷却方式下的容量。c.变压器额定电压、分接范围。d.额定频率。e.各绕组的首末端的绝缘水平。f.变压器的阻抗电压百分值。g.绕组结线方式及连接组标号。h.负载损耗、空载损耗、空载电流百分值。i.安装地点海拔高度。此外，用户可能还有一些特殊参数。变压器计算的任务，就是根据上述技术规范，按照国家标准，如《电力变压器》、《三相油浸式电力变压器技术参数和要求》、《高压输变电设备的绝缘配合及高电压试验技术》和其它专业标准，确定变压器电磁负载，几何尺寸、电、热、机械方面的性能数据，以满足使用部门的要求。对方案进行优化计算，在满足性能指标前提下，具有良好的工艺性和先进的经济指标。3.2变压器设计计算步骤以下主要针对电力变压器而言，特种变压器的计算基本与之相同，只需考虑特殊要求和自身特点即可。根据技术合同，结合国家标准及有关技术标准，决定变压器规格及相应的性能参数，如额定容量、额定电压、联结组别、短路损耗、负载损耗、空载损耗及空载电流等。确定硅钢片牌号及铁心结构形式，计算铁心柱直径，计算心柱和铁轭截面。根据硅钢片牌号，初选铁心柱中磁通密度，计算每匝电势。初选低压匝数，凑成整匝数，根据此匝数再重算铁心柱中的磁通密度及每匝电势、再算出高压绕组额定分接及其他各分接的匝数。根据变压器额定容量及电压等级，计算或从设计手册中选定变压器主、从绝缘结构。根据绕组结构形式，确定导线规格，进行绕组段数、层数、匝数的排列，计算出段数、层数、总匝数及每层的匝数、每段匝数。计算绕组的轴向高度及辐向尺寸。计算绕组几何高度、电气高度及窗高。计算绝缘半径，确定变压器中心距M0，高、低压绕组平均匝长L。初算短路阻抗无功分量，大型变压器无功分量值应与短路阻抗标准值接近。计算绕组负载损耗，算出短路阻抗有功分量（主要指中小型变压器），检查短路阻抗是否符合标准规定值。计算绕组对油温升，不合格时，可调整导线规格、或调整线段数及每段匝数的分配，当超过规定值过大时，则需要调整变更铁心柱直径。计算短路机械力及导线应力，当超过规定值时，应调整安匝分布或加大导线截面。计算空载性能及变压器总损耗，计算变压器重量。3.3树脂浇注干式变压器设计的详细计算本毕业设计主要任务为设计SCB10-1300/35B变压器。3.3.1技术条件产品型号：SCB10-1300/35额定容量：1300kVA电压比：(35±5%)/0.4kV频率：50Hz联结方法：Dyn11额定电压电流：高压侧 3500V/57.74A 低压侧 400V/1443.38A短路阻抗：6％空载损耗：2900W负载损耗：12000W硅钢片牌号：Q120-30执行标准： GB/T10228，GB64503.3.2 铁心计算铁心直径：Pt为三相变压器每相容量，故 Pt=Pn/3=1300/3kVAK为经验系数， 取K=57根据经验公式： D=K=57=260.1mm由于铁心直径的位数取0或者是5，所以变压器的铁心直径为：D=260mm。铁心净横截面积：根据公式 ， 计算可得： =530.791cm2。3.3.3绕组计算初选磁密：=1.50 T初算匝电压: f=50Hz 铁心净横截面积经查表得出：At=436.306cm2由公式 , 计算可得 =14.5435V低压匝数：因为低压侧是Y接，故 , 计算可得 =15.883 ，由公式，取整得W=16重算匝电压：V重算磁密：高压匝数：高压绕组一般均设有分接线匝，这样就应根据各分接的相电压求出各分接匝数高压侧D接 故=35000V高压绕组为调压，共3级则==36750V==35000V==33250V由公式 , 计算可得取整：W1=727 W2=693 W3=658电流：a、高压侧 D接 ， ,计算可得b、低压侧 Y 接 = , ,计算可得⑧低压绕组计算：从浇注干式变压器的设计、工艺和生产现状来看，低压绕组一般采用箔式绕组结构。箔式绕组，一层就是一匝，也就是只有一段，每段的长度即为导线宽度795mm。同时，根据实际需要，我们选低压侧端绝缘为10mm，空气距离为45mm，层间绝缘为0.18mm表面绝缘0.36mm.前面已经计算出总匝数为16，我们可以分为三层（5+5+6=16），相临两层之间加气道，气道厚度分别为8mm 和10mm。具体计算如下：-1初选电流密度：=2.0 A/mm2-2 算导线截面积： ，根据计算得出的导线截面积，查表找出最接近的导线规格。-3选线规：1.01795∥802.95 ,导线截面积 =802.95 mm2-4重算电流密度： 由公式 ： ， 计算可得-5 低压绕组轴向尺寸计算：795 ——箔式导线高度，即轴向长度，mm+10×2 ——端绝缘高度,mm815 ——绕组轴向总高度,mm+45×2 ——绕组到上下铁轭距离,mm——铁心窗高,mm-6 低压绕组辐向尺寸计算：辐向有16层，被两个气道隔开，分为：5层、5层、6层1.01 1.01 ——箔式导线厚度，mm× 5 × 6 ——总层数5.05 6.06+0.18×4×1.1 +0.18×5×1.1 ——绝缘总厚度（=(-1）×层绝缘缘),mm5.842 7.05×（1+2%） × （1+2%） ——辐向裕度取2%5.95884 7.191+0.36 +0.36×2 ——表面绝缘厚度,mm6..31884(6.31) 7.911（7.91）低压绕组辐向总厚度： 6.31+8+6.31+10+7.91=38.5 mm低压绕组辐向总厚度=5层辐向厚度+气道1厚度+5层辐向厚度+气道2厚度+6层辐向厚度 单位 mm高压绕组采用分段层式绕组，前面已经计算出高压绕组的匝数为727-693-658，计算时，用最大的匝数727来计算。高压绕组可分为4段，每段182匝，，分7层，每层26匝，中间夹一个气道（3+4+0=7）。另外其余参考数据如下：表面绝缘3.00mm,段间距离20mm,端间距20mm,空气距离45mm，气道厚度为16mm。具体计算如下：-1初选电流密度：=2.0 A/mm2 I=-2 算导线截面积： ，-3 选线规：3.00×6.30∥0.16 ,导线截面积 =1×18.35=18.35 mm2-4 重算电流密度： ，-5 高压绕组轴向尺寸计算高压线圈轴向电气长度=带绝缘高压线圈导线宽度×（每层匝数+起末宽度）×轴向裕度×段数+（段数-1）×段间距 单位 mm高压线圈轴向几何长度=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘 高压线圈窗高=高压线圈轴向几何长度+2×空气距离=高压线圈轴向电气长度+2×端绝缘+2×空气距离 单位mm;6.30+ 0.166.46 ——带绝缘导线宽度，mm×(26+1) ——每层匝数加上起末头高度,mm174.42× 1.02 ——轴向裕度，单根导线取2%177.91（178） ——每段长度（取整数），mm× 4 ——总共有4段712+20×3 ——3个段间距772（775） ——轴向长度，mm+45×2 ——空气距离,mm865+ 20×2 ——端间距,mm905 ——铁心窗高，mm-6 高压绕组辐向尺寸计算辐向有7层，被一个气道隔开，分为：3层、4层3.00 3.00 ——箔式导线厚度，mm× 3 × 4 ——总层数9.00 12.00+0.56×2×1.1 +0.56×3×1.1 ——绝缘总厚度（=(-1）×层绝缘缘),mm10.232 13.848×（1+2%） × （1+2%） ——辐向裕度取2%10.4366 14.125+0.56×3×1.1+3.00 +0.56×3×1.1+3.00 ——表面绝缘厚度,mm18.97高压绕组辐向总厚度： 15.28+16+18.97=50.3 mm3.3.4绕组绝缘半径及平均匝长的计算:前面已经计算出，铁心直径D =245mm，则铁心外接圆半径R0=235/2=122.5 mm其余相关数据如下：低压-铁心：10mm 高压-低压：40mm 相间距离：41mm具体计算如下：122．5 ——铁心外接圆半径R0,mm+ 10 ——低压绕组至铁心距C,mm132．5 ——低压绕组内半径R2,mm+ 38．5 ——低压绕组辐向厚度B2,mm171 ——低压绕组外半径R3,mm+ 40 ——高低压绕组间主绝缘距a12,mm（211-3-0.5）207.5 ——高压绕组内半径R4,mm+ 50．0 ——高压绕组辐向尺寸B3,mm257.5（258） ——高压绕组外半径R5,mm× 2516 ——高压绕组外径D,mm+ 41 ——相间距离（干变取40左右）A，mm 557- 3.00×2 ——高压线圈表面绝缘，mm551（550） ——铁心柱中心距离（为10或5的倍数）M0，mm铁心柱中心距离=高压绕组外径+相间距离-2*高压绕组表面绝缘;故：低压线圈内径：265 外径：342高压线圈内径：415 外径：516中心距： 550 （单位mm）绕组平均匝长l的计算：高压绕组;低压绕组;平均匝长Lm=(Lm1+Lm2)/2;=1462mm（取整）=953mm（取整）3.3.5参考温度（120）下绕组每相电阻及导线重量的计算——高压绕组电阻（120℃） ：；;高压绕组铜导线重：所以 Cu11=207 kg Cu12=316 kg Cu13=0高压绕组导线重：Cu1=207+316=523kg高压绕组电阻损耗（120℃）:低压绕组电阻（120℃） ：；;低压绕组导线重：Cu2=91+99+132=322kg低压绕组电阻损耗（120℃）:导线总重：523+322=845kg3.3.6负载损耗的计算// H0:窗高// 低压额定电流D=245mm // 铁心直径B0=D-5=245-5=240mm// B0:最大片宽; 为省去查表麻烦,近似等; // Sb:铜排截面积;高压绕组电阻损耗（120℃）:低压绕组电阻损耗（120℃）:杂散损耗、引线损耗及附加损耗分别如下：低压绕组为箔绕，所以连接及附加损耗百分比K PsupPercent=0.006×I2=8.66。总负载损耗。3.3.7树脂、玻璃纤维重的计算如果低压为箔式：纤维重树脂重3.3.8空载损耗// P0 空载损耗；3.3.9短路阻抗计算((箔绕需再×0.95))3.3.10铁心温升的计算有计算可得：铁心柱中心距=550mm, 低压绕组的内径=265mm，电抗高度=795mm, 空载损耗=1662W,铁心窗高=905mm。有查表可得：迭片系数=0.97，迭片总厚度b=238mm，最大迭片厚度=235mm，最小迭片厚度=60mm，净横截面积=436.306。散热面积的计算有效散热系数为=2.8总的散热面积为铁心的单位热负荷为铁心温升为3.3.11高压绕组温升的计算有计算可得高压绕组内径=415mm,高压绕组外径=516mm,高压绕组轴向长度=775mm，轴向厚度为=15.28mm,=19.06mm,电抗高度=765mm ，高压绕组的铜损由查表可得撑条根数=8，净横截面积=436.306，气道宽度为=16mm, 高低压绕组间的距离L=40mm散热面积计算有效散热系数总的散热面积为高压绕组的单位热负荷为高压绕组温升K3.3.12底压绕组温升的计算有计算可得低压绕组内径=265mm,低压绕组外径=342mm,低压绕组轴向长度=795mm，轴向厚度为=6.34mm,=7.96mm,，电抗高度=795mm ，低压绕组的铜损有查表可得撑条根数=8，净横截面积=436.306，气道宽度为=8mm, =10mm, 高低压绕组间的距离L=40mm散热面积计算有效散热系数为总的散热面积为低压绕组的单位热负荷为低压绕组温升K以上为树脂浇注干式变压器SCB10-1300/35的具体设计计算过程。由此过程可得变压器的性能数据为：高压铜耗：4512W 低压铜耗：2859W引线、附加损耗：747W 空载损耗：1662W硅钢片重：1808kg 树脂重：83kg玻璃纤维重：90kg 高压导线重：523kg低压导线重：322kg 导线总重：845kg高压线圈温升:70.7K 低压线圈温升：87.8K以上数据满足执行标准 GB/T10228，GB6450，同时又考虑的经济性。由此所设计的变压器电气性能好，节省材料，能给企业带来较高的收益，同时还满足用户的要求。该SCB10-1300/35变压器，铁心采用30Q120型号硅钢片带料卷制而成，高压绕组采用了多根导线并绕的层式结构，低压绕组采用箔式结构，是典型的三相树脂浇注干式变压器，具备了低损耗、低噪声、安全可靠、环保节能等优点，适合于城市中心、居民小区、大型厂矿等负荷中心使用5总结通过为期三个多月的毕业设计，我认识到了知识得先进性和实用性。我的课题是“35KV环保型箔绕干式变压器设计”。此次设计不仅运用到了大学四年学习的专业知识，更多的是学到了很多在生产实践中总结出来的知识。这让我充分认识到，实际生产经验的宝贵性，同时也深切感受到仅仅有扎实的专业基础知识是不够的，必须将所学的理论知识与实践相结合才能为社会创造财富。刚接到课题时，我翻阅了大量关于变压器设计生产的资料。了解到，随着我国经济的腾飞，电力事业飞速发展，工农业生产及日日常生活对于电力变压器的要求也越来越高。防火、安全、低噪声、低耗能成为变压器的重要性能指标，尤其是在城市中心区、居民小区、大型厂矿等负荷中心地区对变压器的要求进一步提高。而卷铁心干式变压器恰恰顺应了这一发展趋势，成为变压器生产中的一个新兴亮点。我认识到这一课题研究的必要性和可行性整个设计过程是在孙老师的指导下进行的，同时得到了同学的热心帮助和指导，对此我非常感谢我的指导老师孙老师，感谢她对我的细心指导。在设计过程中我学到了很多生产实践知识，弥补了我以前理论学习的不足。使我对干式变压器的绕组制造工艺有了一定的了解，绕组浇注工艺水平的高低直接关系到干式变压器的局放水平和绝缘性能。干变绕组制造水平的提高直接影响着发展。通过设计实践，不仅对变压器的发展趋势有了深刻了解，也对实际生产有了初步认识其中我也认识到我的不足之处，缺少实践经验，例如设计过程中很难独立完成对一些经验参数的选取，由于时间有限对变压器设计计算过程没有熟练掌握，需要进一步加强。在完成这项课题设计之际，我要向指导老师孙雨萍老师以及帮助过我的同学表示感谢。感谢学校、院系对我的培养；感谢孙老师在设计过程中给予的指导；在此还要感谢所有对此次设计给予关心和支持的各位老师和同学。附录一：英文参考资料The electric power transformer designAbstractThis part includes the design of the electric power transformer that used for the electric circuit of buck:The fast conversion machine,the whole bridge, the half bridge, and the whole wave.The feedback transformer( namely the couple transformer)will be introduced in the next part.In order to suit more applications circumstances , here we will discuss some ordinary transformer .The function of the transformer.The purpose of that the electric power transformer used for the electrical supply transform module is,to deliver electric power from the exterior power supply to external loads effectively.In addition, the transformer also provides the important additional function:●The conversion ratiobetween primary side and secondary side can effectively regulate the input/ output voltage grade.●The secondary side with different conversion ratio dissimilarity changes to compare of have another two times side, can used for attaining the different electric voltage the level of output appearance more.●Primary and secondary side windings of separate type enable to separate the high voltage input / output , especially for the application of the safety when the power outage.The transformer stored energyIn an ideal , the transformer does not reserve energy, it just carries energy from the input directly to the output. But in actual transformer, any of the transformers will store a spot of energy.●The electric leakage represented the energy that the storage in the windingscaused by the non-closed magnetic flux. In the equivalent electrical circuit,the leakage flux , windings and the energy stored are proportional to the sqare of the load current.●Mutual induction representes that some remarkable diffusive energy exists between the core and the twe poles.In the equivalent electrical circuit, Mutual induction is parallel with windings.The energy of the storage is fuction which is ( the conversion ratio of transformer )1/n the voltage of the secondary side and irrelevant with load current.The transformer keeps negative influence of abilityIn the electricity conversion process, the leakage will delay the current conversion between the converter and the rectifier.This kind of delay is proportional to the current loads,which is the main reason of voltage regulation - control and crossing voltage regulation - control .Detailed explaination offered in reference manual(R4).Mutual induction and leakage flux caused breakdown of the voltage ,which can bring out the electromagnetic disturbance and the damage of rectifier.Therefore buffer protection should be used for , the energy of the storage will be remove in the buffer..If fail to remove , we must use non-exhaust buffer electrical current to remove this energy once more.Mutual induction and leakage flux give a positive effect in zero voltage conversion electric circuits( ZVT).The energy of the leakage flux dismisses while the light load.Whether the energy of mutual induction dimiss or not,usually being decided by some factors such as degree etc.Exhaust and a rise in temperatureThe rise in temperature of transformer sometimes is restricted by the demand of the supply-efficiency that attaining the whole power.As usual ,the limitation of power is restricted by a temperature named "a hot pan 's temperature" in middle of the windings inside the suface of the core.The rising of the temperature is equal to the resistance multiplied the loss of the power:The most fitable core is the smallest one ,and the power of the smallest core is decided by the temperature-rise of transformer and the supply-efficiency of power.The limitation of temperatureIn the transformer's application of the industryor common customer, the temperature-rise of transformer is allowed in 40-50 ℃,and their highest internal temperature is 100 ℃.Therefore, we usually adopt the core with a much bigger size to make the temperature-rise desend in order to improve the voltage supply function..ExhaustAccurate calculation to exhaust is very difficult. The data of core exhaust provided by the product factory owners is generally not reliable,because of the calculating under the condition of ideal power supply.The windings of the low pressure is easy to calculation but the ones of the high pressures isn't. because the current of the high pressure windings appears as rectangle wave.This problem has already been fully explained at Part 3.The computer software can lower the calculating difficulty of the windings'exhaust.ResistanceThe rise in temperature from the exterior environment to the internal heat area, not only be decided by the exhaust of the transformer , but also be decided by the resistance RT.The resistance is an important parameter, but very difficult to give a reasonable and accurate definition.It is mainly composed of twe parts :One is the internal resistance RI between the hot source(core and windings) and the exterior environment,the other is exterior resistance RE between the surface of the transformerand the exterior environment.The internal resistance is mainly decided by the physics structure, and difficult to calculation of fixed amount,because the hot source is distributed over the internal of transformer . RI is irrelevant with the center hot-source , because actually only very little calory is produced by this part.The overwhelming major heat is produced by the core, and the core close to the transformer surface.The heat produced by the windings distributed over the surface closed to the core.Though the resistance of the copper is very low, the electricity insulate and space will increase the resistance RI .Therefore abundant fulfillment experience is very helpful in resistance design process.The internal resistance is far small from the exterior resistance RE, when the RI can't be neglect, compared with RE is very tiny.The outside resistance RE is mainly the air convection of the transformer surface --- including the natural convection cold-produce system and force wind cold-produce.The outside resistance RE that natural convection cool off mainly is decided by the transformer gearing method and surface air current circumstances.The transformer parts is higher, usually still around more and small parts.Install transformer on the horizontal plane to keep face with gearing in the 竖 up compare, install outside horizontal plane up the resistance RE is opposite to compare greatly, this is from output result of" the chimney principle".Force the breeze cold can make the outside resistance RE decline the lower grade, the size of RE is mainly decided by the wind velocity. In this kind of case, the RI becomes the factor that mainly influence the exhaust. At force the breeze cold resistance and temperature-rise usually not related, because of attaining the power supply efficiency to request to rule of exhaust to limit since the main function.Generally speaking, adopt the natural convection system cold, the exterior resistance calculaes according to " the thumb rule", the formula is as follows:Among them, the type transformer surface accumulate, including the enclosure of the surface.The work that compute to consume very much, but there is another formula can simplify it a calculation. Suppose the iron heart model number has already make sure, to take E- E type and EC types as an example, are all basic and the same for the cire of various model.For various surface fpr core of E- E type and EC type of is a core of 2200%, can compute the outside resistance directly as follows:For a form iron heart or the PQ form iron hearts, the iron heart window way is smaller.Within the scopes of 25-50, so the outside resistance is within the scope of arrive.Designing the experience is count for much in certain resistance be worth process.Transformer under the condition of imitating the standard power supply, the examination operation from conjunction centrally the thermocouple of the area respond.Under the worst circumstance of exhaustThe transformer exhausts the test, should test under the condition of the most bad. And the power supply power supply time is longer, time can't be too short.The transformer exhaust main divide three type:●The core magnet exhaust:The core magnet exhaust, rounding the set to exhaust( the copper exhaust).The core magnet exhausts to be replaced the variety by the of magnet and frequency to cause.All transformer of buck- derived under the condition of standard, .At fix the frequency under circulate measure the electric voltage and magnet don't change.The variety and the importation electric voltages that the magnet exhaust or negative change in the electric current irrelevant. The core eddy current exhaust is in fact produced by the eddy current inside the core .If the core diameter D changes into the half, then exhausting equacally for originally of 200%. Therefore, the eddy current exhaust with the importation the electric voltage become direct proportion, If the importation electric voltage change into 200%, then average exhaust come to 400%;●Windings exhaust:In the buck electric circuit transformer the secondary side sharp electrical current is equal to the load current,and the primary side sharp electrical current is 1/n of the load current.(n as the ratio for change) .；The peak electric current has nothing to do with the importation electric voltage, but at the full peak electric current( the full load), the square(the exhaust) of the electric current becomes the direct proportion with the core diameter D, becomes the inverse proportion with the input voltage.In the buck electric circuit transformer ,the windings exhaust attains the maximum when the input voltage much lower .●The core of the iron-steel:In a material of most iron-steel used for transformer of SMPS, the magnet exhaust is controlled between the 200 kH and300 kHz. When the frequency increase, the eddy current flows to exhaust the increment, change because of they with the square variety of the frequency.( of magnet and a form inconvenience)Therefore, be the frequency in the 200-300 kHzs, exhaust the tallest circumstance for input the electric voltage lower, full load.When the eddy current flows to exhaust more serious, it increases but goes up quickly with the frequency, is to input the electric voltage particularly higher.( The eddy current flows to exhaust at input the electric voltage higher, to compare with the increment of the hour, the iron heart diameter D, did not mark out in exhausting the curve, because that curve gets under the condition of suppose the standard electric current.) Round the set exhaust and also will increase but go up with the frequency, particularly is at input the electric voltage lower, in order to keep the reasonable ratio, must use the Litz type to lead the line or better lead the line, raise, because the increment insulate the friendly interest and can let up the copper exhaust .As a result, when the frequency enactment is within the scope of the eddy current flows to exhaust at control, the higher importation electric voltage and full loads will make heart of iron exhaust biggest. At any frequency, the low importation electric voltage and full loadses will make the copper exhaust biggest.The core exhaust and the balance of the copper exhaust.Circulate the frequency in the SMPS under, the heart of iron usually exhausts the restrict, having no saturation to limit, total exhaust the minimum value to take to be worth the scope more breadth.The core exhaust about is equal to or slightly small in copper exhaust. The same, the copper exhaust is placed in the minimum, and should be distributed round the electric current density , the copper exhaust is also even to distribute. When a side is the whole bridge or the half bridges, rounding an utilization high, be two times side for center- tapped the hour rounds an utilization low. The electric current density is on an equal footing, a side round the set and can use the area as 40% at this time, two times side is 60%. Under the condition of most, a, two times side rounds the set to use the area as 50% and 50%s, include: Front to change to flow the machine, C.T. the primary side/C.T. the secondary side. The half bridge,whole bridge of the primary side/the whole bridge of the secondary side.( Slightly)The choice of coreMaterialChoose the core material to fit with the frequency of the transformer.For the electromagnetism body , the high-frequency material contain much higher electric resistance rate, as a result the exhaust of the eddy current is much smaller. But the magnet rate is low, which need the much higher magnetize electric current, so must use the controller andbuffers to carry on the processing. Use an iron of the metal alloy steel core, this kind of high frequency material contain higher magnet rate, need the fold of less layer and can immediatelycarry out the request only.For all of that, its saturated magnet usually higher than a material of the steel, under this general circumstance will not have the influence, because a restrict that is subjected to flow to exhaust the request the eddy current.The best material choice for transformer design is the iron- steel .ShapeThe choice of the core window way shape also is count for much.The window way of the heart of iron want in order to round the set to stay to have the enough width, should still reduce the layer number of the iron- steel slice as far as possible.Can make Rac and the electric leakage feelings reduce to the least thus.Moreover, the window way that compares the breadth can let up the electric leakage impact.Increase the window way width can also let up the request to round a height, and raise the window way utilization.A form core and the PQ form core window ways go to smaller, the window way looks like for the square.The electric leakage allow wasted very big part of window wayses go to, round a width to can not reach the best request far and far.This kind of core is is not suitable for in high transformer of SMPS.These two kinds of advantages of core is, compared with the E- E type iron heart, there is bigger window way area, the window way width can fill the bill.Stereoscopic core, must round the set to assign each heart pillar equally while rounding to make.Rounding a width actually is the width of the iron heart surroundings.which can leak the magnet , fold a slice of layer to count at least. And there is no electric leakage allow phenomenon, because round the set to have no bitter end.( but exist a line problem) Moreover, it is miscellaneous to spread the of magnet and the electromagnetism interference disseminations very small. Stereoscopic core of a little bit biggest and difficult is a coil to round to make, is the shape and the specification of the conductor particularly in the transformer of SMPS.The secondary side round the set how round to make on the stereoscopic heart pillar It is impossible from the machine principle full general.Just because of this, the stereoscopic heart of iron seldom useds for a transformer.The flat surface core, reform continuously along with the frequency of SMPS, applied more and more extensive.The flat surface core also put forward some new problems, these problems are not within the scope of the origin discuss.SizeUsually design a scholar for the transformer to need to be guide in some aspects, for example the primary election iron heart with attain the fit request. An common way is, to produce the realm establishment in the core from many variety establishments to round a window way area of exploitation in the magnet a part of the core.In the certain progress of seeking for the fitable size of the transformer, there are a lot of variable quantity.The much bigger transformer must have the smaller electric current density, because the surface spreads the calories far small have fever the quantity in the center.Regardless of the force of the cold types of the breeze a cold type still a natural convection systems all very difficult accurate estimate to spread the hot environment.In the data form provided by some core product factory owners, they no longer list the information of the manufacturing field, but they usually provide the data on how to choose the most fitable core size for the different transformer.The following formula provides a rough demanding index of the manufacturing field:cm4Among them:= Output the powerB = Round a density of a magnet= The transformer circulates the frequency=0.14( front to change to flow the machine, PPCT)=0.17( the whole bridge,the half bridge)The condition of the formula is:the electric current of the windings is 420 As/ cm2, the utilization of the window-windings is40%, at the low frequency, the magnet of the windings is not saturated, but must be higher then 50 Hz,( the iron-steel slice). It is also restricted by the exhaust of the core,Selectit that can offer 100 m for the exhaust of the core.( is two times of magnet given in the curve of exhaust for core)These primary selections for transformers size is not very accurate.But they can reduce the times of the experiment effectively.At end of the analysis.附录二：英文参考资料中文翻译电力变压器设计摘要这部分包括用于buck电路的电力变压器的设计：快速转换器，全桥，半桥，和全波。反馈变压器（即耦合变压器）会在下一部分中介绍。适应更多的应用情况，这里讨论的普遍适用的变压器原理。变压器的功能电力变压器用于电力供应变换模态的目的是，快速有效的将电能从外部电源传送给外负载。除此之外,变压器也提供重要的附加功能：一次侧与二次侧的转换比能有效的调节输入/输出电压等级。不同变比的多二次侧，能用于达到不同电压水平的多输出状态。分离式一次二次侧绕组能够使高电压输入输出分离，特别对于断电时的安全性的应用是非常重要的。变压器储能在理想情况下，变压器是不储能的,它将能量从输入端直接传送给输出端。但在实际变压器中，任何变压器都会储存部分能量：漏电感代表了储存在绕组中的由于未闭合的磁通的非磁性领域的能量。在等效电气线路中漏磁通和绕组以及储存的能量是和负载电流的平方成比例。互感代表了在磁性铁心和两极之间储存的能量有明显的可扩散的能量。在等效电路中，互感表现为和绕组平行。储存的能量是二次侧电压的n（变压器变比）分之一并且和负载电流无关的函数。变压器储能的消极影响在配电转换过程中，漏电感会延迟转换器和整流器之间的电流转换。这种延迟和负载电流成比例，是电压调整和交叉电压调整的主要原因。在参考手册（R4）中有详细解释。互感和漏感能量在转换中引起的电压击穿，会造成电磁干扰以及转换器和整流器的损坏。因此应该使用缓冲器保护，储存的能量会在缓冲器中被消除。如果消除失败，必须使用无损耗缓冲电路重新消除这些能量。互感和漏感能量在零电压转换电路（ZVT）中有时会有积极作用。漏感能量在轻载时消失。互感能量能否消失是不确定的，通常取决于某些因素例如铁心配合的程度等。损耗和温升变压器温升有时候是由需达到的整个功率供给效率的需求来限制的。更通常的情况下功率限制是由一个最大的在铁心表面里的绕组的中心的“热锅温度”来限制的。温度的上升等于阻抗乘以功率损失：最终合适的铁心就是最小的铁心，最小铁心是根据变压器温升或电源供给效率确定其需要的功率大小的。温升限制在工业或普通用户的变压器应用中,变压器温升在40-50℃是允许的,内部最高温度为100℃。尽管如此，通常采用较大尺寸的铁心用来降低温升减少损耗，从而提高电能供应效率。损耗要准确计算损耗是很困难的。铁心生产厂家提供的铁心损耗数据一般不可靠，这是因为厂家是在理想电源情况下计算的。低压绕组损耗容易计算但是高压绕组损耗不易计算，是因为高压绕组电流为矩形波。这个问题已在第3部分做了详细讲解。电脑软件能够降低绕组损耗计算的难度。阻抗从外部环境到内部高温区的温升，不仅取决于变压器损耗，还取决于阻抗RT。阻抗高低是一个重要参数，但是很难合理准确的定义。它主要有两部分组成：热源（铁心和绕组）与外部环境之间的的内部阻抗RI，和变压器表面与外部环境之间的外部阻抗RE。内部阻抗主要取决于物理结构，RI难以定量计算因为热源分布在变压器内部的各个部分。RI与中心热源区无关，因为实际只有极少的热量是由这部分产生的。绝大部分热量由铁心产生，而铁心靠近变压器表面。绕组产生的热量在表面和靠近铁心处均有分布。尽管铜的阻抗很低，电绝缘和空隙会增加绕组的阻抗RI。因此在阻抗设计过程中丰富的实践经验非常有帮助。内部阻抗远小于外部阻抗RE，当RI不可忽略时，和RE相比是非常小的。外阻抗RE主要是变压器表面空气对流的作用——包括自然对流制冷和强迫风冷。自然对流冷却的外阻抗RE主要取决于变压器安装方式以及表面空气流动情况。变压器部件比较高，通常还围绕较多小部件。将变压器安装在水平面上与安装在竖直面上相比，安装在水平面上外阻抗RE相对较大，这是由“烟囱原理”产生的结果。强迫风冷可以使外阻抗RE降到较低的等级，RE的大小主要取决于风速。在这种情况下，RI成为主要影响损耗的因素。在强迫风冷时阻抗和温升通常不相关，因为为达到电源效率要求规定的损耗限制起主要作用。一般情况下，采用自然对流制冷时，外阻抗按“拇指法则”计算，公式如下：其中式变压器表面积，包括表面的附件。计算是非常耗时的工作，但有另外一个公式可以简化之一计算。假设铁心型号已确定，以E-E型和EC型为例，对于各种型号的铁心都是基本相同的。对于E-E型和EC型的各种铁心表面的是铁心的22倍，可直接计算外阻抗如下：对于壶形铁心或PQ形铁心，铁心窗口较小。在25到50范围内，因此外阻抗在到范围内。设计经验在确定阻抗值过程中是非常重要的。变压器在模拟标准电源条件下，检测操作由连接在中心区的热电偶感应到。最坏情况下的损耗变压器损耗测试，应在最差条件下测试。并且电源供电时间较长，时间不能太短。变压器损耗主要分三类：铁心磁滞损耗，铁心涡流损耗，绕组损耗（铜损）。铁心磁滞损耗铁心的磁滞损耗是由磁通和频率交替变化引起的。所有的buck-derived变压器在标准条件下，。在固定频率下运行时二次测电压和磁通不改变。磁滞损耗的变化与输入电压或负在电流变化无关。铁心涡流损耗实际上是铁心材料内涡流产生的损耗。如果输入电压变为两倍，则最大损耗为四倍；如果铁心直径D变为一半，则平均损耗为原来的两倍。因此，涡流损耗与输入电压成正比，较高时损耗最高。绕组损耗：在buck电路变压器中二次侧尖锋电流与负载电流相等，一次侧尖峰电流为负载电流的n分之一（n为变比）：；尖峰电流与输入电压无关，但是在满峰值电流时（满负载），电流的平方（以及损耗）与铁心直径D成正比，与输入电压成反比。在buck电路变压器中当输入电压较低时绕组损耗最高。硅钢片铁心：在用于SMPS变压器的大多数硅钢片材料中，磁滞损耗控制在200-300kHz之间。当频率增加时，涡流损耗增加，因为它们随频率的平方变化而改变（磁通和波形不便）。因此，当频率在200-300kHz时，损耗最高的情况为输入电压较低，满负载。当涡流损耗较为严重时，它随频率增加而迅速升高，尤其是在输入电压较高时。（涡流损耗在输入电压较高，铁心直径D较小时的增加，在损耗曲线上没有标出，因为该曲线是在假定标准电流条件下得出的。）绕组损耗也会随频率增加而升高，尤其是在输入电压较低时，为保持合理的比，必须使用Litz型导线或更好的导线，来提高,因为增加绝缘和气息能减小铜损。因而，当频率设定在涡流损耗在控制范围内时，较高的输入电压和满负载会使铁心损耗最大。在任何频率时，低输入电压和满负载都会使铜损最大。铁损和铜损的平衡：在SMPS运行频率下，铁心通常有损耗限制，无饱和限制，总损耗最小值取值范围较宽。铁损约等于或略小于铜损。同样的，铜损铜损处于最小值，并且应为绕组中电流密度均匀发布，铜损也均匀分布。当一次侧为全桥或半桥时，绕组利用率高，当二次侧为center-tapped时绕组利用率低。电流密度均等，此时一次侧绕组可用区为40％，二次侧为60％。在大多数情况下，一、二次侧绕组使用区为50％和50％，包括：前向变流器，C.T.一次侧／C.T.二次侧，半桥全桥一次侧／全桥二次侧。（略）铁心选择：材料选择铁心材料以适合于变压器频率要求。对于电磁体而言，高频材料有较高的电阻率，因而涡流损耗较小。但是磁导率较低，致使需要较高的磁化电流，要实现这一点必须使用控制器和缓冲器进行处理。使用合金钢片铁心，这种高频材料有较高的磁导率，只需要较少的叠层即可实现要求。尽管如此，它的饱和磁密通常比硅钢片材料高，这一点一般情况下不会有影响，因为磁通受到涡流损耗要求的限制。硅钢片式变压器设计中最佳的材料选择。形状铁心窗口形状的选择也是非常重要的。铁心的窗口要为绕组留有足够的宽度，还应尽量减少硅钢片的层数。这样可以使Rac和漏电感减至最小。另外，较宽的窗口可以减小漏电冲击。增加窗口宽度还可以减小对绕组高度的要求，并且提高窗口利用率。壶形铁心和PQ形铁心窗口去较小，窗口近似为方形。漏电允许浪费了很大一部分窗口去，绕组宽度远远达不到最佳要求。这种铁心不适合于高频SMPS变压器。这两种铁心的优点是，和E-E型铁心相比，有较大的窗口区，窗口宽度能合乎要求。立体铁心，绕制时必须将绕组平均分配到每个心柱上。实际上绕组宽度就是铁心周围的宽度。这样可使漏磁感最小，叠片层数最少。而且没有漏电允许现象，因为绕组没有末端（但是存在出线问题）。另外，杂散磁通和电磁干扰传播非常小。立体铁心的最大难点是线圈绕制，尤其是SMPS变压器中导体的形状和规格。二次侧绕组如何在立体心柱上绕制呢？从机械原理上将是不可能的。正因如此，立体铁心很少用于SMPS型变压器。平面铁心，随着SMPS频率的不断革新，应用越来越广泛。平面铁心也提出了一些新的问题，这些问题不在本讨论范围内。尺寸对于变压器设计出学者通常在某些方面需要指导，例如初选铁心以达到合适的要求。一个常用的办法是，由许多变化建立在铁心生产领域建立在铁心磁通部分绕组利用的窗口区。在确定合适的铁心尺寸过程中，有很多变量。较大的变压器必须有较小的电流密度，因为表面散热量远小于中心发热量。无论是强迫风冷式还是自然对流制冷式都很难准确估算散热环境。一些铁心生产厂家再提供的数据表中，不再列出生产领域的信息，通常提供他们为不同变压器选择铁心尺寸的方面。以下公式提供了一个粗略的生产领域的要求指标：cm4其中：=输出功率B=绕组磁通密度=变压器运行频率=0.14（前向变流器，PPCT）=0.17（全桥，半桥）该公式成立的条件是，绕组电流密度为420A/cm2，窗口绕组利用率40%,在低频下，绕组磁通不饱和，但是必须大于50Hz，（硅钢片）。通常受铁心损耗限制。选取以使铁损为100m（市铁损曲线中给定的磁密的2倍）。这些变压器尺寸初选并不很精确。但可以有效地减少试验次数。在最终分析时。21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台变压器的节能技术摘要： 变压器是输变电系统中的主要设备之一，用途极其广泛，其损耗可占线路总损耗的17％。在如今资源越发显得短缺代，变压器的节能显得至关重要。本文主要介绍推广使用低耗能变压器，改造高耗能变压器，这是节能挖潜、提高经济效益的有效途径。关键词：变压器，节能前言变压器是输变电系统中的主要设备之一，尽管它的效率很高(大型变压器效率高于99．5％，小型变压器也在98％以上)，但由于它的总容量大(一般情况下变压器的总容量为发电容量的5～7倍)，加上在输配电系统中变换级次多，损耗可占线路总损耗的17％。中小型配电变压器虽然单台容量小，但数量多。由下图看出我国要求在较短时间内，推广使用低耗能变压器，改造高耗能变压器，这是节能挖潜、提高经济效益的有效途径。如果每降低１％，每年可节约上百亿度电，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。电力系统要把电能从发电站送到用户，至少要经过4-5级变压器方可输送电能到低压用电设备（３８０Ｖ／２２０Ｖ）。虽然变压器本身效率很高，但因其数量多、容量大，总损耗仍很大。据估计，我国变压器的总损耗占系统总发电量的１０％左右，如损耗每降低１％，每年可节约上百亿度电，因此降低变压器损耗是势在必行的节能措施。变压器的损耗如图为变压器的基本原理图，当变压器的初级绕组通电后，线圈所产生的磁通在铁芯流动，因为铁芯本身也是导体，在垂直于磁力线的平面上就会感应电势，这个电势在铁芯的断面上形成闭合回路并产生电流，好像p一个旋涡所以称为“涡流”。 这个“涡流”使变压器的损耗增加，并且使变压器的铁芯发热变压器的温升增加。由“涡流”所产生的损耗我们称为“铁损”。另外要绕制变压器需要用大量的铜线，这些铜导线存在着电阻，电流流过时这电阻会消耗一定的功率，这部分损耗往往变成热量而消耗，我们称这种损耗为“铜损”。所以变压器的温升主要由铁损和铜损产生的。 由于变压器存在着铁损与铜损，所以降低变压器的损耗显得很有必要。推广使用低能耗变压器1．非晶合金铁芯变压器(图3) 美国麻省理工学院于１９７９年采用２６０５ＳＣ制作了１５ｋＶＡ的干式变压器。日本于１９８１年７月采用２６０５Ｓ２试制了１０ｋＶＡ的变压器，再于１９８２年８月试制了３０ｋＶＡ的高压油浸变压器，１９８３年２月又试制了３５ｋＶＡ三相五柱式模型变压器作研究对象。我国在８０年代初期进行对非晶态合金变压器的研究，并于１９８６年由上海变压器厂研制了３０ｋＶＡ的非晶态铁芯变压器。９０年代非晶铁芯变压器的研发已进入实用阶段，国内数厂家相继引进国外技术，生产出较大容量的非晶铁芯变压器。1．1非晶合金铁芯变压器的构成 （１）变压器铁芯均为三相五柱式两行矩形排列，在两个旁柱中流过零序磁通，磁通不经过箱体，不产生发热的结构损耗，使变压器能满足低噪声、低损耗； （２）高低压线圈均为矩形的铜绕组，当线圈偶然发生短路时，能适应较大的机械应力破坏，线圈不产生变形； （３）箱体采用冷轧钢板制成的片状散热器，高低压套管的上方加装防冰雹、防尘、防雨罩，其引线无导体裸露，可用电缆接线，全绝缘保护； （４）变压器热循环油填充硅油，箱体全密封，２０年内免维护，且可适应高温场所。1．2非晶合金铁芯变压器的规格 （１）容量：３０ｋＶＡ～１６００ｋＶＡ，电压６ｋＶ～１０ｋＶ／０．４ｋＶ／０．２２ｋＶ，联结组标号为Ｙ·ｙｎ０，Ｄ·ｙｎ１１； （２）空载损耗、负载损耗、阻抗电压、主绝缘均符合ＧＢ／Ｔ６４５１－１９９５的技术要求。1．3非晶合金铁芯变压器的节能效果非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的１／５，且全密封免维护，运行费用极低。Ｓ７系列变压器是１９８０年后推出的变压器，其效率较ＳＪ、ＳＪＬ、ＳＬ、ＳＬ１系列的变压器高，其负载损耗也较高。８０年代中期又设计生产出Ｓ９系列变压器，其价格较Ｓ７系列平均高出２０％，空载损耗较Ｓ７系列平均降低８％，负载损耗平均降低２４％，并且国家已明令在１９９８年底前淘汰Ｓ７、ＳＬ７系列，推广应用Ｓ９系列。非晶合金铁芯变压器ＳＨ１２系列的空载损耗较Ｓ９系列降低７５％左右，但其价格仅比Ｓ９系列平均高出３０％，其负载损耗与Ｓ９系列变压器相等。下面仅对其节能效果与投资效益做一计算实例。1．31节能变压器的计算公式 （１）有功损耗：ΔＰ＝Ｐ０＋ＫＴβ２ＰＫ（１） （２）无功损耗：ΔＱ＝Ｑ０＋ＫＴβ２ＱＫ（２） （３）综合功率损耗：ΔＰＺ＝ΔＰ＋ＫＱΔＱ（３） Ｑ０≈Ｉ０％ＳＮ，ＱＫ≈ＵＫ％ＳＮ 式中：Ｑ０——空载无功损耗（ｋｖａｒ） Ｐ０——空载损耗（ｋＷ） ＰＫ——额定负载损耗（ｋＷ） ＳＮ——变压器额定容量（ｋＶＡ） Ｉ０％——变压器空载电流百分比。 ＵＫ％——短路电压百分比 β——平均负载系数 ＫＴ——负载波动损耗系数 ＱＫ——额定负载漏磁功率（ｋｖａｒ） ＫＱ——无功经济当量（ｋＷ／ｋｖａｒ）1．32 计算条件 （１）取ＫＴ＝１．０５； （２）变压器容量ＳＮ＝８００ｋＶＡ联结组别为Ｙ·ｙｎｏ； （３）对城市电网和工业企业电网的６ｋＶ～１０ｋＶ降压变压器取系统最小负荷时，其无功当量ＫＱ＝０．１ｋＷ／ｋｖａｒ； （４）变压器平均负载系数，对于农用变压器可取β＝２０％；对于工业企业，实行三班制，可取β＝７５％，以下按这两种情况计算； （５）变压器（８００ｋＶＡ）价格为Ｓ７＝７６０００元，Ｓ９＝９１０００元，ＳＨ１２＝１１８３００元； （６）变压器运行小时数Ｔ＝８７６０ｈ，最大负载损耗小时数：ｔ＝５５００ｈ； （７）电费按综合电费０．６０元／ｋＷｈ（未按两部电价计算方法）； （８）变压器空载损耗Ｐ０、负载损耗ＰＫ、Ｉ０％、ＵＫ％，见表２所示。1．33 计算实例 根据计算公式及计算条件，按β＝２０％和β＝７５％两种情况分析，计算过程及结果见表３所示。1．34 投资价差回收年限 投资价差回收年限，一般有两种计算方法： （１）静态投资回收期：不考虑投资的货币时间价值，计算公式：＝； （２）动态投资回收期：考虑投资的货币时间价值，将现在投资及未来收益均以资金的折现率折为现值。此法计算复杂，要涉及通货膨胀率、资金银行利率、折现率等，因此不确定因素多。在此建议不采用此法，则宜采用静态投资回收期。 ＳＮ＝８００ｋＶＡ的ＳＨ１２较Ｓ７多投资： ΔＣＳ７＝１１８３００－７６０００＝４２３００元 ＳＨ１２较Ｓ９多投资： ΔＣＳ９＝１１８３００－９１０００＝２７３００元 在β＝２０％时，多投资的回收年限为： ＴＳ７＝＝＝４．４９（年） ＴＳ９＝＝＝３．７９（年） 在β＝７５％时，多投资的回收年限为： Ｔ＇Ｓ７＝＝＝２．５９（年） Ｔ＇Ｓ９＝＝＝３．７９（年） 其它容量的ＳＨ１２较Ｓ７，Ｓ９多投资回收年限计算，均可采用上述计算方法及步骤。2. S11—M.R型三相油浸卷铁芯配电变压器(图4)2. 1 S11—M.R型三相油浸卷铁芯配电变压器是多年的科研攻关新产品，在总结以往10kV配电变压器设计经验的基础上并结合 和吸收国内先进技术而研制开发的最新一代节能产品，完全采用 了新材料、新结构和独特的新工艺。卷铁芯配电变压器铁芯打破 了传统的叠片式铁芯结构，将硅钢带剪成长带，铁芯卷绕机上绕 成封闭形整体，这种铁心截面接近圆形，填充系数高，铁芯经过 退火处理，没有接缝，空载损耗、空载电流和噪声都较叠片铁心 变压器小；卷铁芯变压器的线圈绕制厂艺和器身制作工艺与传统 制造工艺有较大区别，它是在专用绕线机上将线圈直接绕制在铁 芯卜不需要进行线圈套装工序，直接进行引线制作。是一低噪声 环保型、高效节能的配电变压器， 与传统叠片型变压器比较，有 以下几个显著特点：(1)、S11卷铁芯变压器无需消耗接缝的磁化容量，磁路中无气隙， 大大减少了激磁电流，提高了功率因数，降低电网损，改善了电 网的供电品质。(2)、环型铁芯充分利用了砖钢片的取向性，铁芯磁路勺砖钢片的 晶粒取向完全——致，消除了因磁路与硅钢片取向不一致所增加的 损牦，可使损耗降低。(3)、环型铁芯自身是一个无接缝的整体，在运行时的噪声水下降 低到40—50dB，保护了环境。因此，很适合于室内和生活区安装使用。(4)、环型铁芯结构呈自然紧固状态，无须火件紧固，避免了因铁芯受火紧力所带来的铁芯性能恶化，损耗增加。(5)、环型铁芯经退火工艺后，消除应力，使铁芯的磁化特特性接近恢复到铁芯材料的原有水平， 工艺系数达到1.05。(6)、卷铁心变压器与全密封变压器相比也是一种节能、低噪声、免维护的变压器。它在器身定位、密封材料，密封处理 采取了与全密封变压器相同的措施，取消了储油箱，油体积的变化由波纹片的弹性调节补偿。由于隔绝了油与空气接触的途径，绝缘不易受潮，老化率大大降低，因而变压器的使用可靠性及寿命大为提高。(7)、S11型与新S9型配电变压器、主要性能比较结果说明， S11型配电变压器在技术性能上有4个较大进步：①空载电流平均卜降 60％一80％；②空载损耗平均—卜降20％～35％；③总重量子均卜降8％～109，6；④噪声只有40—50dD。 S11卷铁芯配电变压器因其性能特点优越，可以称为高节能及环保型的变压器。本公司已经通过原机械、电力两部新产品技术鉴定验收，具备批量生产能力，产品工艺及质量稳定，卷铁芯变压器自投放巾场后，很快得到广大用户的认可，其低损耗、低噪声的优点深受用户的欢迎。3．单相配电变压器(图5)3．1单相配电变压器结构简单、体积小、损耗低，可采用柱上挂式，安装方便，可以最大限度地深入负荷中心，缩短低压网络供电半径，降低损耗。一台单相配电变压器仅向10户-20户居民供电，当单相配电变压器出现故障时，受影响的居民户数大幅减少，配电线路的供电可靠率得到较大提高。4．干式配电变压器(图6)4．1近年来随着城乡电网建设和改造、西部大开发的步伐加快，北京申办2008年奥运会的成功，长江三峡开始发电，我国发电量及城乡用电量与日俱增。通常，每增加1ｋＷ的发电量，需要增加1 1ｋＶＡ的变压器总容量；而其中配电变压器约占全部变压器总容量的1/3～1/2。据估计，干式配电变压器约占全部配电变压器的1/5～1/4。这些数据综合起来可以看得出：发电量每增加1ｋＷ——干式配电变压器也要增加1ｋＶＡ，此数据预示着干式配电变压器面临着新的发展机遇，其产销量必将有新的飞跃。据有关方面统计，2002年变压器的总产量约200,000MVA，而干式变压器的全国产销量约20,000MVA，与同期全国发电增加量相近。可预期，在未来电力建设加速、发电量急剧增加的形势下，干式配电变压器的市场需求量将会大幅攀升。4．2 损耗 变压器的损耗包括空载损耗、负载损耗以及附加杂散损耗等。 空载损耗是指变压器二次侧开路、一次侧加额定频率与额定正弦波电压时变压器所吸取的功率。国内外都很看重空载损耗P0值的下降，因变压器一旦投运，一年365天、一天24小时，时时刻刻都有损耗。P0 是一个不随负载变化、也不随时间变化的损耗值，即便变压器没有带负载，其P0 损耗值是不变的。P0值每降低1kW，一年就可节省8760kWh（度）电费。国际招标时，空载损耗1kW、折合6,000美元。SC(B)10系列比现行国标（GB/T10228）空载损耗P0下降约30％。 因空载损耗发生在铁心中，故常称之为铁损。显然，其损耗大小与铁磁材料性能有关，与铁心迭片生产工艺过程有关——故在铁心生产工艺过程中，都要采取一系列措施、尽全力降低空载损耗：选购优质高导磁的晶粒取向冷轧硅钢片，先进的硅钢片剪切线，45°全斜铁心接缝，阶梯步进迭片，合理的铁心结构，不迭上铁轭等先进工艺，计算机优化设计等等，使得我国新系列产品损耗值，达到世界先进水平。根据不同情况选择不同型号的变压器在变换电压及传递功率的过程中，变压器自身将会产生有功功率损耗和无功功率损耗。其损耗与变压器的技术特性有关，同时又随着负载的变化而产生非线性变化。因此，必须根据有关技术参数，通过合理地选择变压器型号、运行方式，加强变压器的运行管理，充分利用现有的设备条件，以达到节约电能的目的。1．SN9系列农用变压器是由吉林省电力科学研究院与吉林省电力有限公司农电部等单位联合开发研制的节能型变压器产品。该产品适合低负载率地区使用，其最大特点是：在与S9型变压器制造成本基本相同的条件下，用于负载率小于50%的地区，可减少运行损耗。经计算当负载率为20%时，SN9-50/10的变压器比S9-50/10变压器总运行损耗降低15.3%左右。目前吉林省农村电网建设与改造工程中已广泛采用。1．1充分考虑农村电网负载率：我国乡镇企业较发达的地区，年负载率最大也不会超过20%，一般年负载率在10%～15%；我国农业地区，年负载率最大不会超过9%，一般年负载率在5%左右。考虑到发展的因素，我国农村电网的负载率在相当长的一段时期内不会超过25%。因此，农用变压器技术条件的编制、系列设计、技术经济分析等，均采用20%的年负载率进行计算的。为我国农村电网负载的发展留有足够的空间。1．2对农用变压器的损耗参数的设置以达到节能效果：通过进行农村电网负载率的调查，结合变压器性能参数的优化设计，以与S9型变压器制造成本持平做为约束条件，以保证损耗比值、最低运行损耗为目标函数。确定了SN9系列变压器的技术条件。其中空载损耗较S9型变压器降低了约20%～25%，负载损耗较S9增加了约10%，使损耗比（负载损耗/空载损耗）提高到7左右。其它性能参数保持了S9型变压器的性能参数。本技术条件的采用使SN9变压器在50%以下负载率的条件下较S9型变压器都是节能的，且负载率越低节能效果越明显。1．3先进的设计技术： SN9系列农用变压器，除了在性能参数上具有上述特点，在产品设计上也采用了新的结构技术和设计方法。利用CAD进行优化电磁计算，在规定的性能参数要求内达到经济指标最优；充分发挥了系列设计的优势，考虑了标准零部件的采用和互用，提高了原材料的利用率；在结构设计中重点考虑了农用变压器的使用环境，提高了农用变压器的过载能力、抗过电压能力；提出了重点工序的工艺要求，既保证了农用变压器生产工艺技术与S9型变压器的接轨，又保证了生产工艺技术的先进性。四．对高能耗变压器的节能改造1．变压器节能改造的具体方法包括：降容、保容、增容和调容4种方法。 (1)绕组改制法：改高、低压绕组降容法；改高、低压绕组调容法；改高、低压绕组降、调容法；改高、低压绕组保容法；改高、低压绕组质量法；改高、低压绕组增容法。 (2)铁心改制法：调换全部铁心法；调换部分铁心法；调换部分柱芯法；调换全部轭铁法；调换部分轭铁法；增减芯柱级数法；增减芯柱直径法；单片重叠铁心法；铁心硅钢片重叠法；铁心硅钢片重新绝缘法。 (3)绕组、铁心全改法：全改绕组、铁心增容法；全改绕组、铁心保容法；全改绕组、铁心降容法。 2. 经过节能改造的变压器，技术指标和要求均应符合国家有关规定要求： (1)变压器的空载损耗比改制前降低45％～55％，优于JBl300一73标准I(冷轧硅钢片)数据，达到S7或SL7低损耗变压器数据； (2)空载电流比改制前降低70％左右； (3)空载短路损耗符合国标或有关规定； (4)阻抗压降控制在3．6％～5．5％(3～1OkV，30～1600kVA)、6％～7．7％(35kV，50～1600kVA)。五．节能变压器的结论国家计委节能局在１９８３年颁布实施的《关于节约能源基本建设项目可行性研究的暂行规定》中指出：计算投资回收年限一般不应超过５年，最长不超过７年，做为权衡投资与节能效益的政策规定。 根据以上计算结果，可得出如下结论： （１）ＳＨ１２较Ｓ７，Ｓ９多投资的部分均在政策规定的年限内收回，因此目前推广应用ＳＨ１２符合节约能源的国家政策导向； （２）在农村地区一般情况下平均负载率为１５％～２０％，ＳＨ１２较Ｓ７多投资回收年限稍长，但较Ｓ９多投资的回收年限较短，说明在农村地区权衡ＳＨ１２、Ｓ９的投资及节能效益时，应做出推广应用ＳＨ１２代替Ｓ９的决策； （３）在工矿企业中，实行三班制，负载率一般在５０％～８０％，ＳＨ１２多投资的回收年限较农村地区短，其投资效益更加显著；（４）广泛推广应用非晶合金铁芯变压器，无论是在农村地区的农网改造，还是在厂矿企业，尤其是在新建的配电室变电站中，建议均应采用ＳＨ１２，如一次性投资到位，可避免短期的重复投资。六．结束语通过推广使用节能型变压器，以及对一些高能耗变压器的节能改造，再根据具体情况选择适当的变压器等这一系列措施可大大降低变压器的能耗，这对我国这样一个以制造业为主的用电大国来说意义非凡。七．参考网页：电力网找论文网机电之家网百度百科21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台直流电机控制系统设计1系统论述1.1 设计思路本次直流电机控制系统的设计主要功能是实现电机的正转和反转。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种模块，实现对电动机控制。总体设计框图系统组成：直流电机控制方案如图1.1所示：方案说明：直流电机控制系统以AT89C51单片机为控制核心，单片机在程序控制下，采用桥式驱动完成电机正，反转控制。图 1.1 直流电机控制方案2直流电机单元电路设计与分析桥式驱动直流电机方向模块主要由一些达林顿晶体管、直流电机和二极管以及电阻等组成。现在介绍下直流电机的运行原理2.1.1 直流电机类型直流电机可按其结构、工作原理和用途等进行分类，其中根据直流电机的用途可分为以下几种：直流发电机（将机械能转化为直流电能）、直流电动机（将直流电能转化为机械能）、直流测速发电机（将机械信号转换为电信号）、直流伺服电动机（将控制信号转换为机械信号）。下面以直流电动机作为研究对象。2.1.2 直流电机结构直流电机由定子和转子两部分组成。在定子上装有磁极（电磁式直流电机磁极由绕在定子上的磁绕提供），其转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内嵌有电枢绕组，绕组通过换向器和电刷引出,直流电机结构如图2.1所示。图2.1 直流电动机结构2.1.3 直流电机工作原理直流电机电路模型如图2.2所示，磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。当线圈中流过电流时，线圈受到电磁力作用，从而产生旋转。根据左手定则可知，当流过线圈中电流改变方向时，线圈的受方向也将改变，因此通过改变线圈电路的方向实现改变电机的方向。图2.2 直流电动机电路模型2.1.4 直流电机主要技术参数直流电机的主要额定值有：额定功率Pn：在额定电流和电压下，电机的负载能力。额定电压Ue：长期运行的最高电压。额定电流Ie：长期运行的最大电流。额定转速n：单位时间内的电机转动快慢。以r/min为单位。励磁电流If：施加到电极线圈上的电流。2.1.5 直流电机PWM调速原理（1）直流电机转速直流电机的数学模型可用图2.3表示，由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，Ea为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。图2.3 直流电机的数学模型根据基尔霍夫第二定律，得到电枢电压电动势平衡方程式1.1：U=Ea-Ia（Ra+Rc）……………………………………………式1.1式1.1中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为：n =Ua-IR/CeΦ ……………………………………………式1.2式1.2中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。由1.1式和1.2式得n =Ea/CeΦ ………………………………………………式1.3由式1.3中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由回在电枢两端的电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。（2）PWM电机调速原理对于直流电机来说，如果加在电枢两端的电压为2.3所示的脉动电流压（要求脉动电压的周期远小于电机的惯性常数），可以看出，在T不变的情况下，改变T1和T2宽度，得到的电压将发生变化，下面对这一变化进一步推导。图2.3 施加在电枢两端的脉动电压设电机接全电压U时，其转速最大为Vmax。若施加到电枢两端的脉动电压占空比为D=t1/T，则电枢的平均电压为：U平=U·D ……………………………………………式1.4由式1.3得到：n =Ea/CeΦ≈U·D/ CeΦ=KD ；在假设电枢内阻转小的情况下式中K= U/ CeΦ，是常数。图2.4为施加不同占空比时实测的数据绘制所得占空比与转速的关系图。图2.4 占空比与电机转速的关系由图看出转速与占空比D并不是完全速的线性关系（图中实线），原因是电枢本身有电阻，不过一般直流电机的内阻较小，可以近视为线性关系。3、直流电机的驱动方式3.1 直流马达的驱动方式解释直流马达的驱动方式，就是把直流电源加到直流马达上，使之旋转。3.2 直流马达驱动方式分类3.2.1用继电器驱动直流马达如图所示，将微控制器信号连接到晶体管，以控制继电器。当微控制器送出一个高电平信号，即可产生ib,ic，继电器激磁，而继电器的a-c接点将接通，即可提供直流马达电源，使之旋转。其中Vcc不一定是5V电源，而是根据继电器及直流马达的规格，取用适当的电压。一般来说，电功率P=V*G，V越大功率越大；即便是相同的功率，V越大i越小，损失越小。图3.1 用继电器开关直流马达3.2．2 以晶体管驱动直流马达1、 达林顿晶体管的简介达林顿管(Darlington Transistor)又称复合管。它采用复合连接方式,将二只三极管适当的连接在一起，以组成一只等效的新的三极管, 极性只认前面的三极管。本设计采用互补达林顿功率晶体管-TIP14x系列，这一系列包括三组配对，分别是TIP-140（NPN）与TIP-145(PNP)、TIP-141(NPN)与TIP-146(PNP)、TIP-142(NPN)与TIP-147(PNP),其常见规格如表3-1所示。表3-1TIP14x系列的内部电路结构如图14-13所示。图3.2 TIP14x系列的内部电路结构其中R1约为8K，R2约为40欧。而其包装采用扁平的TO-218包装，也提供SOT-93的表面贴式包装，其外观、引脚配置与尺寸如图3-3所示。图3-3 TIP14x系列的外观、引脚配置与尺寸2、以晶体管驱动直流马达将微控制器信号连接到达林顿晶体管，直接提供直流马达的电源，使之旋转。其中的二极管的功能是为了保护达林顿晶体管，VCC也不一定是5V电源，可根据直流马达的规格，取用较高的电压。而此电路不但可以控制直流马达的开或关，还可以控制其功率的大小，以达到转速控制的目的。图3-4 以达林顿晶体管驱动直流马达3．3 控制直流马达方向3.3.1 以继电器控制直流马达方向图3-5 以达林顿晶体管与继电器控制直流马达如图3-5所示，微控制器信号连接到达林顿晶体管与继电器，其中的继电器室2P继电器，同时提供两组c接点，由微控制器信号连接到“方向”的引脚，即可驱动Q1晶体管，以控制继电器。当“方向”引脚上有高电平信号时，继电器激磁，两组c-a接点接通，而直流马达上方连接到Q2、Q3所组成的达林顿晶体管，所以此时直流马达上方连接到正电源，另外，直流马达下方通过另一组c-a接点接地。若方向引脚上有低电平信号时，继电器消磁，两组c-b接点接通，直流马达上方通过c-b接点接地；而直流马达下方通过另一组c-b接点连接到Q2、Q3所组成的达林顿晶体管，所以此时直流下方连接正电源。若直流马达上方接电源，下方接地，将其顺时针旋转，此时，如果颠倒其接线，直流马达上方接地、下方接电源，将其逆时针旋转。另外，我们也可以通过“开或关”引脚决定该马达是否旋转。即我们不但可以控制直流马达的开与关，也可以控制其转向。3.3.1 以晶体管控制直流马达方向图3-6 桥式驱动直流马达如图所示，Q1、Q2是一组PNP型达林顿晶体管，Q3、Q4是一组NPN型达林顿晶体管，Q5、Q6是一组PNP型达林顿晶体管，Q7、Q8是一组NPN型达林顿晶体管,不管是NPN型林达顿晶体管还是PNP型林达顿晶体管，都可以找到现成、配对的商品，而且不贵！若使用现成的林达顿晶体管，电路就非常简单，而且可靠！电路的左右对称，动作也类似。不管是左边的电路还是右边的电路，当微控制器送一个高电平信号到input1或input2端时，上方的PNP达林顿晶体管截止，而上方的NPN型达林顿晶体管导通，当微控制器送一个低电平信号到input1端时，上方的PNP达林顿晶体管导通，而上方的NPN达林顿晶体管截止。若送一个高电平信号到input1端，同时送一个低电平信号到input2端时，则电流由右而左流过此马达，如图所示。图3-7 电流由直流马达右端流入，左端流出反之，若送一个低电平信号到input1端，同时送一个高电平信号到input2端时，则电流由左而右流过此马达，如图所示。图3-8电流由直流马达左端流入，右端流出若直流马达上方接电源，下方接地，将使其顺时针旋转；此时，如果颠倒其接线，直流马达上方接地，下方接电源，将使其逆时针旋转。经过这两个方案的比较，由于方案二的性能好，可靠性高，故而选择方案二。因此，根据原理，选择以下元器件：PNP型达林顿晶体管4个；NPN型达林顿晶体管4个；330欧姆电阻4个，二极管4个；直流电机1个；10K电阻3个；电解电容10uF1个；30PF电容2个；晶振12MHz1个；按钮开关2个。4．程序设计流程图(声明变量与函数，关闭马达) (开始) (PB0=1、PB1=0？PB0=0、PB1=1？设定转向启动马达0.5s 关闭马达设定转向启动马达0.5s 关闭马达NOYYN)5.总电路图6.程序设计#include Sbit motor1=P1^0; //声明直流马达位置Sbit motor2=P1^1; //声明直流马达位置Sbit PB0=P2^0; //声明按钮开关位置Sbit PB1=P2^0; //声明按钮开关位置Void delay1ms(int); //声明延迟函数//===================================================================Main(){ motor1=0; //关闭直流马达Motor2=0; //关闭直流马达PB0=1; //设定PB0PB1=1; //设定PB1While(1) //无穷循环{ if(PB0==0 & PB1==1) //若按下PB0、且未按下PB1{motor1=0; //设定直流马达转向Motor2=1; //开启直流马达转向Delay1ms(500); //旋转0.5sMotor2=0; //关闭直流马达if(PB0==1 & PB1==0) //若按下PB1、且未按下PB0{motor1=1; //设定直流马达转向Motor2=0; //开启直流马达转向Delay1ms(500); //旋转0.5sMotor1=0; //关闭直流马达} } //结束//================================================================Void delay1ms(int x){ int i,j;For(i=0;iFor(j=0;j<120;j++) //内循环} //延迟函数结束7.结束语经历了这次课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的不怎么牢固，看到了自己的实践经验更是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。现在学到的东西，在以后的工作中一定也会学到，但我毕竟早了两年知道这个道理，它在书本上是学不来的，一定要自己经历了，在实践中才学得到。学到了如何务实，如何去学一门技术，同时也知道了如何学习，什么才是学习。如果每天都能像这样的学习，大学四年的课程，一年就够了，或许还不要。其次是团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台三相异步电动机摘要：作电动机运行的三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运三相异步电动机而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。关键词 三相异步电动机；基本结构；工作原理；选用一、三相异步电动机的基本结构1、定子（静止部分）（1）定子铁心 作用：电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。 构造：定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽，半开口型槽，开口型槽。（2）定子绕组 作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。构造：由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。（3）机座作用：固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。2、转子（旋转部分）（1）三相异步电动机的转子铁心： 作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。（2）三相异步电动机的转子绕组 作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。3、三相异步电动机的其它附件 端盖：支撑作用。 轴承：连接转动部分与不动部分。 轴承端盖：保护轴承。 风扇：冷却电动机二、三相异步电动机的工作原理定子绕组接上三相电源后，电动机便产生旋转磁场，所谓旋转磁场就是指电动机内定子和转子之间气隙的圆周上按正弦规律分布的，能够围绕着电动机在空间不断旋转的磁场。转子与旋转磁场之间存在相对运动。转子导条被旋转磁场的磁力线切割而产生感应电动势，它在转子绕组中感应出电流，两者相互作用产生电磁转矩，使转子转动起来。从而将电能转化为转轴的机械能。当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。三、三相异步电动机的选用三相异步电动机应用广泛，是一种主要的动力源。在此，要特别强调合理选择电动机的额定功率，如额定功率选择过大，不仅造成设备投资费用增加，而且电动机长期处于低效率低功率因数点运行，是很不合理很不经济的。1、三相异步电动机的选用要点(1)根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、建设费用、运行费用等综合指标，合理选择电动机的类型。(2)根据机械负载所要求的过载能力、启动转矩、工作制及工况条件，合理选择电动机的功率，使功率匹配合理，并具有适当的备用功率，力求运行安全、可靠而经济。(3)根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构形式。(4)根据生产机械的最高机械转速和传动调速系统的要求，选择电动机的转速。(5)根据使用的环境温度，维护检查方便、安全可靠等要求，选择电动机的绝缘等级和安装方式。(6)根据电网电压、频率、选择电动机的额定电压以及额定频率。2、三相异步电动机的选用步骤：选电动机类型→选电动机容量→校核启动转矩最大转矩→等效发热校核→经济性综合指标校核→电动机机械特性与负载特性对比→电动机电压等级与频率→决定核→电动机机械特性与负载特性对比→电动机电压等级与频率→决定3、三相异步电动机的维护保养启动前的准备和检查(1)检查电动机和启动设备接地是否可靠和完整，接线是否正确与良好。(2)检查电动机铭牌所示额定电压，额定频率是否与电源电压、频率相符合。(3)新安装或者长期停用的电动机(停用三个月以上)，启动前应检查绕组相对相、相对地的绝缘电阻值。(用1000伏兆欧表测量)。绝缘电阻应该大于0.5兆欧。如果低于这个值，应该将绕组烘干。(4)对绕线型转子应该检查其集电环上的电刷以及提刷装置是否能正常工作，电刷的压力是否能符合要求。电刷压力为1.5N/cm-2.5 N/cm。(5)检查电动机的转子转动时候灵活可靠，滑动轴承内的油时候达到规定的油位。(6)检查电动机所用的熔断器的额定电流是否符合要求。(7)检查电动机的各个紧固螺栓以及安装螺栓是否牢固并符合要求。4、运行中的故障处理(1)启动时的故障当合上断路器或自动开关后，电动机不转，只听到嗡嗡的声响，或者不能转到全速，这种故障原因可能是：定子回路一相断线，如低压电动机熔断器一相熔断，或高压电动机短路器以及隔离开关的一相接触不良，不能形成三相旋转磁场。转子回路断线或接触不良，使转子绕组内无电流或电流减小，因而电动机不转或者转动很慢。在传动机械中，有机械上的卡阻现象，严重时电动机就不转，且异常声响。电压过低使电动机转矩减小，启动困难或不能启动。电动机定子，转子铁心相摩擦，增加了负载，使转动困难。运行人员发现上述故障时，对高压电动机来讲，应立即拉开电动机的断路器以及隔离开关，检查其定子、转子回路。(2)定子绕组单相接地故障。电动机绕组由于受到各种因素的侵蚀，使其绝缘水平降低。此外，由于电动机长期过负荷运行，会使绕组的绝缘体因长期过热而变的焦脆或脱落。这都会造成电动机定子绕组的单相接地。(3)三相电动机单相运行的故障三相电动机在运行中，如果一相熔断器烧坏或接触不良，隔离开关，熔断器，电缆头以及导线一相接触松动以及定子绕组一相断线，均会造成电动机的单相运行。运行人员根据电动机所产生的异常现象，确认电动机为单相运行时，则应切断电源，使其停止运行。并用兆欧表测量定子回路电阻值，若电阻值很大或无穷大时，则说明该相断线。然后检查定子回路中的熔断器，断路器，隔离开关，电缆头以及接线盒内接线接触是否良好。四、三相异步电动机的铭牌每台电动机的机壳上都有一块铭牌，上面标明该电动机的规格、性能及使用条件，它是我们正确使用电动机的依据。这里对铭牌上主要的技术参数介绍如下。 1、型号为了适应不同用途和工作环境需要，三相异步电动机制成不同系列和型号，不同型号的电动机的机座长度、中心高度、转速等技术参数不相同，使用或选购时应注意型号或根据需要查阅相应产品目录和技术手册。 2、功率电动机在铭牌规定的运行条件下，正常工作时的输出功率(kw)。 3、电压电动机定子绕组的额定线电压(v)。 4、电流电动机在额定工作状况下运行时流入定子绕组的线电流(a)。 5、转速电动机在额定工作状况下运行时转子每分钟的转数(r/min)。6、接法电动机的接线盒有六个接线端子，需要改变转子当前的转向时，只要把电动机的三根电源线中的任意两根对调一下，就能改变电动机的转向。结论：实践证明，在工农业生产中，根据实际需要，科学地选用三相异步电动机可以提高生产效率，收到很好的经济效益。在运行中对电动机进行科学的维护保养，使电动机长期处于非常好的技术状态，延长使用寿命，提高工农业生产的的效率。是非常有必要的。参考文献:[1] 才家刚.电动机使用与维理技术. 北京：水利水电出版社，1998.[2] 付家才.电机工程实践技术.北京：化学工业出版社，2003[3] 张曾常.电机绕组接线速成.北京：机械工业出版社，1996[4] 松柏.三相电动机修理自学指导.北京：北京科学技术出版社，200121世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）21世纪教育网(www.21cnjy.com)中小学教育资源及组卷应用平台资源推荐一、书籍1、张锦波，张承慧.电机与拖动.北京：清华大学出版社，20062、姚舜才，赵耀霞.电机学与电力拖动技术.北京：国防工业出版社，2009 3、黄忠霖，周向明.3、控制系统MATLAB计算及仿真实训.北京：国防工业出版社，20064、王划一.自动控制原理.北京：国防工业出版社，20065、董霖.MATLAB使用详解.北京:电子工业出版社,20096、唐海源，张晓红.电机及拖动基础习题解答与学习指导.北京：机械工业出版社，20047、张义和.例说51单片机（c语言版）.20088、何立民．单片机与嵌入式系统应用[J]． 基于HCS12的小车智能控制系统设计．2007，(3) ：51-53,57．9、方建军．何广平．智能机器人[M]．北京：化学工业出版社．2004 :5-9．10、张立．电子世界[J]．电动小车的循迹． 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