15KVA-380V/220V干式隔离变压器设计开题报告

全文总字数：5585字

1. 研究目的与意义（文献综述）

（1）完成干式隔离变压器的设计

变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，是各种电源及电气设备的主要部件。变压器主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。变压器主要部分是由铁芯（或磁芯）和线圈组成。线圈有两个或两个以上的绕组，一个线圈接交流电源称为初级线圈（或原线圈），另外的线圈接用电器称为次级线圈（或副线圈），两个线圈之间没有电的联系，线圈由绝缘铜线（或铝线）绕成。铁芯的作用是加强两个线圈间的磁耦合，为了减少铁内涡流和磁滞损耗，铁芯由涂漆的硅钢片叠压而成。

常用变压器按冷却方式分可分为油浸式变压器和干式变压器。与油浸式变压器是依靠油作冷却介质不同，干式变压器是依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，多用于高层建筑、高速收费站点用电及局部照明、电子线路等小容量变压器。

而隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气上有较高绝缘强度以彼此隔离的专用变压器，用以避免偶然同时触及带电体（或因绝缘损坏而可能带电的金属部件）和大地所带来的危险，变压器的隔离是隔离原副边绕线圈各自的电流。

隔离变压器的原理与普通干式变压器相同，也是利用电磁感应原理，主要隔离一次电源回路，二次回路对地浮空，以保证用电安全。

首先通常我们用的交流电源电压一根线和大地相连，另一根线与大地之间有220V的电位差。人接触会产生触电。而隔离变压器的次级不与大地相连，它的任意两线与大地之间没有电位差。人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。

其次，隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，抑制了在频率较高的情况下，两绕组之间的电容使两侧电路之间出现的静电干扰。这样就有效的对变压器的输入端（电网供给的电源电压）起到了一个良好的过滤作用，从而给用电设备提供了纯净的电源电压。

隔离变压器的另一用途是防干扰。可广泛用于地铁、高层建筑、机场、车站、码头、工矿企业及隧道的输配电等场所。

隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修、保养用，起保护、防雷、滤波作用，广泛用于电子工业或工矿企业、机床和机械设备中一般电路的控制电源、安全照明及指示灯的电源。

本次我所要进行的是15KVA-380V/220V干式隔离变压器的设计，主要参数如下：

（2）掌握SolidWorks的三维建模方法

SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。

Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。

所以在完成15KVA-380V/220V干式隔离变压器的设计后，我需要用SolidWorks进行变压器的三维模型构建工作。

（3）掌握有限元法进行仿真分析计算

有限元法是一种现代结构分析中求解关于场问题的一系列偏微分方程的数值计算方法。有限元法的基本原理是将连续的求解区域离散为有限个单元体，单元体之间通过节点连接起来，每个单元内的场变量用插值函数表达的节点值确定，且单元之间的作用力通过节点进行传递，根据虚功原理或者能量泛函的变分原理来建立单元的运动方程或刚度方程，然后对各个单元进行集成而构成未知问题的整体运动方程或整体刚度方程，最后进行数值求解得到基本未知量(一般是位移)的节点值，进而求得整个求解域上场函数的近似值。由于单元的数目是有限的，节点的数也是有限的，所以称为有限元法 (FEM,Finite Element Method)。

有限元法是结构分析的一种数值计算方法,是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的应用和发展。有限元法借助于矩阵等数学工具, 尽管计算工作量很大, 但是整个的分析是一致的, 有很强的规律性, 因此特别适合于编制计算机程序来处理。

其实有限元法的基本思想就是将复杂的结构看成由有限个单元仅在结点处联结的整体，从数学上讲，用有限元法求解结构应力、变形属于应力场问题，是微分方程数值近似解法中的一种，因而也可以推广用来解决一般的“场” 类问题，如温度场、电磁场、流体场、声场等。这些也是工程设计中经常要考虑解决的问题。

随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域。发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由线性问题扩展到非线性问题，可应用于生物医学、激光超声研究、机电工程、汽车产品开发、物流运输、建筑等多个领域的应用，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法，有限元法在产品设计和研制中所显示出的无可伦比的优越性， 使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具，有限元法在机电工程中的应用也越来越重要。所以，有限元法已成为工程设计、分析中的现代方法，是每个工程设计、研究人员必须掌握的知识。对于工程设计人员，学习有限元法的目的是掌握这个工具去解决工程问题。

而SolidWorks Simulation是一个与 SolidWorks 完全集成的设计分析系统。它凭借着快速解算器的强有力支持，提供了多种捆绑包，提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等大型问题。

同样，ANSYS软件作为有限元分析和设计的通用化软件，由世界上有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发,它能与很多CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Enginer、SolidWorks、AutoCAD等,是现代产品设计中的高级 CAD之一。

ANSYS软件已广泛用于航空工业、汽车工业、化工、核工业、电子工业、船舶、土建、地质、水利和电站等行业。它除具有强有力的结构分析功能(线性静力分析、非线性静力分析、线性动力分析、非线性动力分析)外, 还针对一些特殊的领域,如电场、磁场、热场、声学、流体场等提供了专门的算法和分析功能。

所以本次15KVA-380V/220V干式隔离变压器设计的仿真分析计算我会用SolidWorks Simulation和ANSYS等仿真软件来完成。

2. 研究的基本内容与方案

（1）基本内容

本次毕业设计的内容主要包括完成15KVA-380V/220V干式隔离变压器的总体设计方案、三维建模和仿真分析计算几个阶段。通过查找相关资料及计算，确定了变压器基本参数如下：

（2）技术方案

分析变压器基本参数要求可知，本次设计的15KVA-380V/220V干式隔离变压器打算采用F级双玻璃丝包扁铜线作为绕组电磁线，绕组采用输入输出同侧出线方式以便接线，原边内绕组为三角型连接，次边外绕组为星型连接，磁路采用硅钢片叠积心式磁芯。然后通过具体计算，确定变压器铁芯直径、铁轭宽度、两边绕组匝数、电磁线规格、安装尺寸及外形尺寸等具体参数，逐步完成变压器总体方案的设计。

在确定本次设计方案后，充分学习并利用SolidWorks软件的重要功能和技术完成变压器各个零部件的二维设计及三维实体建模，其中比较复杂和困难的应该是绕组上线圈模型的建立。三维模型的建立也是本次设计任务中的难点，需要多些耐性与仔细，要确保无误，才能为后面进行的仿真分析打下基础。

最后我会利用有限元法在SolidWorks Simulation和ANSYS软件中来完成本次15KVA-380V/220V干式隔离变压器的仿真分析计算。仿真应该主要包括应力场、电磁场、温度场等方面。然后利用仿真分析结果对本次变压器的各项性能和指标进行调试和修改，针对性地排除每个不足，以期设计完成一个完全符合设计要求的15KVA-380V/220V干式隔离变压器。

3. 研究计划与安排

（1）结合课题查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需软件及学习相关知识，三月中旬完成开题报告，随后完成与课题相关的英文资料翻译。

（2）在四月上旬确定15kva-380v/220v干式隔离变压器的总体设计方案。

（3）广泛查阅有关solidworks三维建模和有限单元法分析计算的资料，在四月下旬之前完成15kva-380v/220v干式隔离变压器结构设计、三维建模与仿真分析计算。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]尹克宁.变压器设计原理[m]. 中国电力出版社2003年10月

[2]谢德章.隔离变压器原理及其应用[j].电世界,2008,49(12):42.

[3]高喜范.隔离变压器原理及其应用[j].内蒙古石油化工,2012,38(11):17.