多磁路调压变压器_一种新的大功率调压系统.pdfVIP

多磁路调压变压器 一种新的大功率调压系统 费让若 上海电器科学研究所 上海 200063 摘要 论述了多磁路调压变压器的特征与工作原理 探讨了其结构与性能 并对与之配套的调压系统做了介 绍 关键词 变压器 磁路 调压系统 中图分类号 TM423 文献标识码 A 文章编号 1001 8425 2000 10 0008 06 1 多磁路调压变压器的产生与发展 现代产业中要求对输出功率电压 电流进 行平滑和大幅度调节的传统方法有调压器与大电流 变压器的组合 晶闸管调压和磁性调压这几种模式 其中对于大功率调节系统而言 采用调压器存在体 积庞大 造价高 压降大和过载能力低等问题 其他 两种方式则存在导致系统中高次谐波产生 干扰电 网等问题 为测试系统所不允许 由于以上原因 并为了适应电器设备强电流测 试的需要 上海电器科学研究所于 20 世纪 80 年代 研制并推出了一种新的大功率调压系统 名为多磁 路调压变压器 这种新构思的变压器十多年来在电 器行业中获得广泛应用 但是 值得注意的是 这种 特种变压器的应用迄今为止还局限于电器测试行 业 虽然这种设备同样适用于其他大功率调控系 统 但尚未做必要的改进 开拓与发展 2 多磁路变压器的特征与工作原理 2 1 多磁体组合与有级无级互联调压 多磁路变压器本体是由 4个不等同互感磁体所 构成 通过在输入端有选择地控制各磁路的投入 便可使输出端电压以 1 2 3 4 5 6 的级数递增 然 后在其中产生 1 6 输出的磁路接入一个相当于整机容 量的 1 6 的调压器 在每一个级差范围内进行无级连 续调压 从而获得全程分级连续可调的效果 多磁路变压器有 4 个分离的铁心磁体和一次绕 组 二次绕组由若干个多环形铜排所构成并贯穿 4 个磁路 形成与 4 个一次绕组的共轭性紧耦合状态 多磁路调压变压器的整体工作原理如图 1 所 示 图 1 多磁路调压变压器工作原理图 1T 2T 3T三个分离磁路的一次绕组 DT连续可调磁 路的一次绕组 MTD磁路切换环节 AT 1 6 容量的调 压器 W2二次共轭绕组 Uc输入电压 U2 输出电压 如图所示 磁路 DT 和 1T 2T 3T 通过共耦合状 态向二次绕组W2分别输出 0 1 1 Ud 6 0或 1 6 Ud 0或 1 3 Ud 其中 DT 的输入为 UD 0 1 1Uc 因而 它的输出终端有 10 的增幅 从而使各磁路之间的 转换具有相互覆盖性 磁路的转换通过切换环节 MTD 加以实现 MTD的作用是变换各磁路的投入与否 在升压过 程中按表1 顺序来变换调节 图 1 中 0 Uc就是表 示MTD 的输出为 0 或 Uc的变换 第 37 卷 第 10 期 2000 年 10月 变压器 TRANSFORMER Vol 37 October No 10 2000 表 1 工作参数 升压顺序123456 磁 路 DT 1T 2T 3T U2输出0 1 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 4 5 1 5 6 1 注 表示该磁路的一次绕组接通电源 空格表示不接通电源 但相 应的一次绕组必须由MTD 加以短接 否则整机便呈现高阻抗 不 能保持正常输出 U2输出表示的是相对 值 其中 1 相当于 1 6 Ud 6 1 相当于 1 067Ud Ud是额定最大调压输出 2 2 多磁路调压变压器的特点 1 用相当于常规调压系统 1 6 容量的调压器可 获得等同的调压效果 同时因 1 6 衰减作用使电压电 流调整过程的稳定性大为提高 2 因设计和结构保持输入 输出间的强耦合 整机为低阻抗和具有高输出 3 具有使电磁应力和热效应的分散作用 因而 特别适用于强电流大功率的工作系统 4 由于调节磁路仅供 1 6 输出 所以调压器的某 些非线性特征对电压 电流波形失真的影响便趋于 图 2 多磁路变压器结构形式 a 双臂并联 b 双臂串联 W1一次绕组 W2二次共轭绕组 C铁心 消失 3 结构与性能 3 1 多磁路变压器结构类别 多磁路变压器的常用结构是由两个输出 1 6 的小 磁路和两个输出 1 3 的大磁路所组成 其特征和工作 参数如图 1 和表 1 所示 相应的结构如图 2所示 如图 2 所示 一次绕组与二次绕组之间有较紧 密的耦合 从而使额定负载阻抗压降 Uk 可控制 在 2 5 以下 为保持各磁路轴心在同一水平线上 显然小磁 路 DT 和 1T 的磁路长度有所增长 因而铁心材料 用量 空载电流和空载损耗都略有增加 如果要求 消除这种状况 则可将图 2 结构改变为 4 个或 6 个 等同磁路 但前者的调压增益 G G 多磁路总容量 调压器容量 将从原来的 6降为 4 6 磁路则可保持 不变 对于等同磁路的设计 可采用图 3 结构形式 但 必须注意以下几个问题 1 漏磁通有所增加 根据实验结果 短路电抗 压降比图2 结构约增加 20 2 整体磁路长度减小 因而其经济效益优于图 2 3 一次绕组的匝长约增加 15 但二次环线 缩短 总的用铜量及负载损耗接近持平 4 对于大容量变压器 一次方形绕组制造难度 增加 但二次环线工艺简化 5 因径向电磁应力增加 所以大容量多磁路变 压器采用这种形式必须注意到机械结构强度的可适 应性 图3 所示为 4个等同磁路的结构 也可增加至 6 个 8个或更多的等同磁路 使调压增益相应增大 3 2 漏磁通与电抗压降 多磁路变压器每一磁路中的漏磁通分布如图 4 所示 漏磁通经过的是一个空气环形通道 对于如 图 2 所示的圆环结构 环平均直径 D12 1 2 D1 D2 环有效宽度约为 b d 1 3 a1 a2 通道截 9 第 10期 费让若 多磁路调压变压器一种新的大功率调压系统 图 3 多磁路变压器结构形式 W1 各磁路的一次方形绕组 W2二次共轭绕组 面Ac D1 2 d 1 3 a1 a2 通道长度约等于绕 组高度 h 图 4 每个磁路的漏磁通分布 a 圆环形绕组 b 方形绕组 形成压降的电抗为 Xk 2 fL 7 92 fN22lc h b 10 8 1 式中 L漏磁通产生的电感 f电源频率 lc漏磁通道的周长 对于圆环形绕组 lc D1 2 对于方形绕组 lc 4A1 2 N2二次公共绕组的匝数 即通过每一 磁路的二次绕组匝数 多磁路变压器的二次绕组为 4磁路共轭相串性 质 如果每磁路为双臂并联接法 结构形式如图 2 则整机的输出端电抗为 Xk 7 92 fN22 DA DB h d 1 3 a1 a2 10 8 2 式中 DA DB大磁路和小磁路的一 二次绕组 平均直径 如果多磁路的结构形式如图 3 所示 绕组和漏 磁通道如图 4b 所示 则 Xk 7 92 fN22 8 A1 2 h b 10 8 3 式中 A1 2 1 2 A1 A2 A1 A2为一次和二次方形 绕组的线宽平均值 与等同容量的普通变压器相比较 本机电抗压 降得到抑制 从而提高了整机输出能力 另外 在磁 路切换的各种不同工作模式下 各磁路无论是接入 电源或加以短接 漏磁通不变 电抗 Xk也不变 因 而多磁路变压器本体具有平直的 U I 硬特性 3 3 不同结构形式的漏磁通差异 对于工作电压低 要求输出强电流的系统和要 求负载电压稳定性高的场所 除应当具备足够大的 电源网络外 输出变压器的低阻抗压降仍然是一个 重要因素 所以 以下着重分析多磁路变压器不同 结构形式的漏磁通与电抗压降的差别 3 3 1 圆环绕组与方形绕组的漏磁通差异 两种绕组如果设计参数相同 则漏磁通大小单 纯取决于通道周长 它们之间的差别是 1 0 变压器 第 37卷 lc D1 2 D0 Bc lc 4 A1 2 4 A0 Bc 式中 D0圆铁心外径 A0方铁心的截面宽 Bc一 二次绕组线宽平均值位置与铁 心的间距 见图 4 对于多阶梯的圆形铁心 D0 1 2 Ac Ac 为铁心有效截面 对于方形铁心 A0 Ac Bc值随变压器容量大小和选择的磁路参数不 同而异 但对于同一规格而言 两种结构的 Bc是等 同的 所以 在漏磁通对比中选取以下两种极端情况 1 Bc D0 lc lc 4A0 D0 4 1 2 1 062 2 Bc D0 lc lc 4 1 27 但是 以上两种极端情况实际上是不存在的 所 以可认为方形绕组与圆环绕组相比较 漏磁通约增 加15 3 3 2 4 磁路变压器两种不同结构形式的漏磁通 对于如图2所示圆环形4磁路结构的变压器 漏 磁通道周长为 lc 2 42D0 4Bc 2 9ACB 4Bc 式中 ACB小磁路铁心的截面 对于如图3所示4个等同方铁心结构的变压器 漏磁通道周长为 lc 2 4 A0 2Bc 8 Ac 2Bc 8 1 25ACB 2Bc 式中 Ac 方铁心截面 在总容量等同的情况 下 Ac 1 5ACB 取两种极端情况比较 1 Bc D0 lc lc 10 9 1 1 098 2 Bc D0 lc lc 16 12 6 1 27 可认为用图 3结构漏磁通约增加 18 但是 在 以上两种对比条件中 4 个等同方铁心的调压增益 将比前者降低 1 3 如果要求达到等同增益 则图 3 结 构必须从4磁路增加至6磁路 相应的漏磁通比较如 下 3 3 3 6 等同磁路变压器的漏磁通 6 等同磁路方铁心结构的漏磁通道周长为 lcb 3 4 A0 2Bc 12 ACB 2Bc 在两种极端情况下 与图 2结构的对比如下 1 Bc D0 lcb lc 12 9 1 1 32 2 Bc D0 lcb lc 24 12 6 1 9 可认为漏磁通约增加 50 60 必须指出 在以上对图 3 结构的漏磁通分析中 忽略了一 二次绕组的并非全包络性质 非包络部分 的漏磁通是借助于相邻的一次绕组可对消磁场来加 以抑制 但效果有所降低 所以实际的漏磁通将比以 上分析有10 的增加 综上所述 多磁路变压器采用方形一次绕组和 矩形外环铜排虽然有助于简化工艺和降低材料成 本 但整体的漏磁通和阻抗压降将有一定的增加 对 于大容量和要求低阻抗的使用场合则应慎用 3 4 多磁路变压器的电磁应力 多磁路变压器在承载大电流时由于强磁场分散 在各个独立的磁路 因而绕组导体的电磁应力减小 在强电流负载下变压器绕组承受的双向机械力 分别为 径向力 FP 62 72 Ni 2l c h kR 10 8 N 轴向力 F 2 上海电气集团总公司 上海 200040 4 试验结果 4 1 涡流损耗增量 试验用变压器容量为 80kVA 电压为 380 200V 采用 Dy 联结 空气自冷式 同心式绕组 电抗压降 ux 4 8 一次导线 3 05 10 8mm 二次导线3 8 13 5mm 测量每相负载损耗时 将每相绕组分别 接入线电压为 75V 或 43V 的交流电源中 并将一次 绕组短接 每相损耗均按 380V 绕组中电流为 34A 时 计算 测得数据如下 一次绕组直流电阻为 R1 31 0 0332 二次 绕组直流电阻 R2 31 0 004 62 直流电阻损耗 P0 96 3W 正弦电流的有效损耗P1 101W 正弦 电流的涡流损耗 Pes 101 96 3 4 7W 接三相 全控桥 当控制角 48 重叠角 u 4 时 脉波电 流的有效损耗 Pp 123 6W 脉波电流的涡流损耗 Pep 123 6 96 3 27 3W 故涡流损耗增量比为 Pep Pes 27 3 4 7 5 82 当 b1 3 3 10 7 重叠角 u 4 时 由图7a 查 得Ke分别为 9 7 2 3 可得涡流损耗平均增量系数 Ke 9 7 2 3 2 6 估算轴向和辐向的涡流损 耗各占 50 其试验数据见表 3 涡流损耗增量的试验比值 Pep Pes与计算值Ke 的比较 见图 8 由图可见 两者非常接近 偏差一 般不超过10 Shanghai Electric Apparatus Scientific Research Institute Shanghai 200063 China Abstract Feature and operation principle of regulation transformer with multi magnetic circuit Its design and property are di