試驗(yàn)變壓器,TQSB系列試驗(yàn)變壓器,GTBGTB干式高壓試驗(yàn)變壓器
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SSB高壓諧振變壓器的研究
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高壓諧振變壓器的研究
摘要：論述了諧振變壓器的原理，設(shè)計(jì)方法及研制中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，并通過(guò)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比的方法證明了文中計(jì)算公式的精確性和實(shí)用性。 關(guān)鍵詞：諧振變壓器 電感 電容 品質(zhì)因數(shù)
1 前言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用高壓諧振技術(shù)對(duì)大容量電氣設(shè)備進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)已經(jīng)成為可能，目前已被廣泛用于電纜，電容器、發(fā)電機(jī)等具有大電容的電力設(shè)備的交流試驗(yàn)。原理是通過(guò)調(diào)節(jié)鐵心磁路的氣隙長(zhǎng)度，得到連續(xù)變化的電感L，使其與被試品對(duì)地電容C發(fā)生諧振。本文以一臺(tái)150kVA試驗(yàn)裝置為模型，闡述高壓諧振變壓器的原理與有關(guān)參數(shù)的計(jì)算。
2 諧振變壓器原理
2.1 結(jié)構(gòu)特征
諧振變壓器的鐵心可以做成兩種不同的結(jié)構(gòu)：殼式和心式。心式鐵心變壓器在一系列主要指標(biāo)方面不如殼式鐵心變壓器，其重量和外型尺寸較大，調(diào)節(jié)氣隙的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。為此，我們研制的試驗(yàn)裝置采用殼式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。諧振變壓器繞組套裝在可移動(dòng)的中心柱外面。
2.2 特性曲線
諧振變壓器的特性曲線如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在不同氣隙長(zhǎng)度δ下，諧振變壓器的伏安特性具有良好的線性關(guān)系，其電感L與變壓器上的電壓值無(wú)關(guān)。因而這種諧振變壓器在用于交流諧振試驗(yàn)時(shí)，可先在低壓條件下進(jìn)行調(diào)諧（通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變動(dòng)鐵心與下軛鐵心之間的氣隙長(zhǎng)度），當(dāng)調(diào)諧到諧振時(shí)，再升高試驗(yàn)電壓，系統(tǒng)調(diào)諧非常方便。
2.3 回路電感L與鐵心氣隙長(zhǎng)度δ的關(guān)系
氣隙可調(diào)諧振變壓器，無(wú)論是串聯(lián)型還是并聯(lián)型，都是通過(guò)調(diào)節(jié)鐵心氣隙長(zhǎng)度，改變回路電感量L，使諧振變壓器發(fā)生諧振。這就是對(duì)于具有一定對(duì)地電容的被試器，通過(guò)改變鐵心氣隙長(zhǎng)度使諧振變壓器發(fā)生諧振的機(jī)理。但是需要注意的是氣隙長(zhǎng)度不可過(guò)大，過(guò)大會(huì)使已建立的諧振條件遭到破壞。
2.4 調(diào)諧原理
（1）串聯(lián)調(diào)諧
串聯(lián)諧振變壓器的等值電路如圖3所示。當(dāng)對(duì)諧振變壓器施加US=220V，f=50Hz的工頻電壓后，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)，使即ωL=1/ωC即XL=XC時(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，這里回路電流ISzui大
=Us/（RL+RC）
因?yàn)镽C>>RL，則有
Is≈US/Rc （1）
被試品上的電壓UC和調(diào)諧電抗器上的電壓UL分別為：
Uc=（1/ωc）Is=XcIs UL=ωLIs=XLIs
當(dāng)調(diào)諧到諧振時(shí)Uc=UL=ω0LIs=（ω0L/Rc）Us （2）
式（2）中比值ω0L/Rc=（根號(hào)L/C的2次方）/Rc=Q （3）
ω0為諧振角頻率Q稱為串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。因?yàn)椋ǜ?hào)L/C的2次方）>>RC，所以Q>>1。從而得出電源容量
Ps=UsIs=（Uc/Q）Is=Pc/Q （4）
由式（4）可知，當(dāng)諧振變壓器調(diào)諧到諧振時(shí)，電源電壓和容量均為被試品對(duì)應(yīng)電壓和容量的1/Q。所以與一般試驗(yàn)變壓器相比，諧振變壓器具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)。
（2）并聯(lián)調(diào)諧
并聯(lián)諧振變壓器的等值電路如圖4所示。
當(dāng)RL≤ωL，Rc≤1/ωc時(shí)，并聯(lián)諧振的諧振頻率fo為：
并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)Q為：
Q=（ω0L）/（RL+Rc）=1（RL+Rc）ω0C （6）
式中RL、RC——電感、電容的等效串聯(lián)電阻（Ω）
L——調(diào)諧電抗器電感（H）
C——試品對(duì)地電容（F）
當(dāng)向并聯(lián)諧振變壓器施加50Hz交流電壓時(shí)，隨著電壓的升高，回路中將產(chǎn)生強(qiáng)迫振蕩。當(dāng)回路的振蕩頻率等于外施電源頻率時(shí)，回路的阻抗zui大（且呈純電阻性），因而回路電流zui小，但L和C上的電流IL和IC都是回路電流I的Q倍，即IL=IC=QI。
3 諧振變壓器主要參數(shù)的計(jì)算
3.1 電感L的計(jì)算
（1）漏感LS的計(jì)算
Ls=[（4πN 2 Ss×10 -9）/Ls]（H） （7）
式中SS——漏磁通等值截面積（cm2）
lS——漏磁通等值長(zhǎng)度（cm）
N——繞組匝數(shù)
（2）主電感LO的計(jì)算
L0=[（4πN 2 Ss×10 -9）/δ]（H） （8）
式中δ——氣隙長(zhǎng)度（cm）
Sδ——間隙磁路等值截面積（cm2）
（3）總電感L的計(jì)算
L=Ls+L0=[[（4πN 2 Ss×10 -9）/Ls]（H） Ss×10 -9）/Ls]+[（4πN 2 Ss×10 -9）/δ]
=[（4πN 2（Ss/Ls+Sδ/δ）×10 -9 （H） （9）
3.2 鐵心尺寸的計(jì)算
（1）階梯型鐵心外接園直徑
D=K（根號(hào)的4次方）（cm） （10）
式中S——鐵心單柱容量（kVA）
K——比例系數(shù)，4.5～5.5（選用冷軋硅鋼片時(shí)取小值）
（2）鐵心有效截面積SG
SG=（πD2/4）KyKd （11）
式中Ky=0.9——鐵心級(jí)數(shù)利用系數(shù)
Kd=0.93——鐵心疊片系數(shù)
3.3 繞組匝數(shù)的計(jì)算（12）
式中N1——一次線圈匝數(shù)
U1——一次線圈電壓（電源電壓），可取220V或380V
f——電源頻率，為50Hz
B——鐵心磁通密度，（1.5～1.8）×104Gs
二次線圈匝數(shù)N2的求法同上，只需將式中U1以二次線圈電壓代換即可。
3.4 zui小氣隙δmin和zui大氣隙δmax的計(jì)算
（1）δmin的計(jì)算
式中KL——電感調(diào)節(jié)系數(shù)，6.5～7.0
（2）δmax的計(jì)算
δmax≈KδKLKδmin （14）
式中Kδ=2.2～2.5
諧振變壓器的其它參數(shù)與普通電抗器的計(jì)算類似。
4 150kVA諧振試驗(yàn)變壓器的設(shè)計(jì)
用上述計(jì)算公式對(duì)一臺(tái)電源電壓U1=0.22kV，輸出電壓U2=15kV，輸出功率P2=150kVA，且能對(duì)zui大計(jì)算電容為2μF的試品進(jìn)行工頻高壓試驗(yàn)的諧振變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。變壓器動(dòng)鐵心柱及套裝在外面的一、二次繞組如圖5所示，其中主要參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如下：
D=12cm，動(dòng)鐵心外接園直徑
D1=13.5cm，一次繞組內(nèi)徑
D2=18cm，二次繞組內(nèi)徑
D3=25.5cm，二次繞組外徑
H=37cm，繞組高度
N1=66匝，一次繞組匝數(shù)
N2=4464匝，二次繞組匝數(shù)
諧振變壓器調(diào)諧電感參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值如表1所示。
表1 調(diào)諧電感參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值 δ（cm） 1 2 3 4 5 6 7 8 L計(jì)算值（H） 31.61 18.96 14.47 12.64 11.37 10.53 9.92 9.47 L測(cè)量值（H） 29.93 18.12 15.3 13.2 11.8 10.7 10.3 8.95 誤差（%） 5.6 4.6 -5.4 -4.3 -3.6 -1.6 -3.7 5.8
5 結(jié)論
（1）由表1可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值z(mì)ui大誤差不超過(guò)6％，說(shuō)明上述計(jì)算公式具有較高精度，足以滿足工程計(jì)算的要求。
（2）當(dāng)試驗(yàn)接近于試品的zui大電容計(jì)算值時(shí)，試品上的電壓可能超過(guò)按變壓比決定的數(shù)值，為了降低電壓諧振的效應(yīng)，應(yīng)使變壓器二次線圈的漏抗盡可能小，同時(shí)應(yīng)在輸出回路加裝防過(guò)壓裝置。
（3）因電壓與氣隙δ無(wú)關(guān)，因而應(yīng)先在較低電壓下進(jìn)行調(diào)諧，當(dāng)諧振發(fā)生后，再將輸出電壓升高到試品的試驗(yàn)值。
（4）在氣隙調(diào)節(jié)過(guò)程中，變壓器的鐵心和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受到很大的電磁力作用，造成較強(qiáng)的振動(dòng)、噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞諧振變壓器的部件。因此這種裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)。
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