单相多磁路变压器

单相多磁路变压器|三相多磁路实验变压器|大电流多磁路调压变压器

概述： 

多磁路变压器把一种由某几个分离磁路组合的变压器与容量为输出容量的1/N的无级调压器配套使用,即能扩大容量几倍，实现大容量连续有载调压，这种特殊变压器称为多磁路调压变压器。 采用一套多磁路调压变压器组可进行单相试验，采用三套同样的设备，则可进行三相试验。试验系统需要大容量的无级别调压装置，以适应大中小型低压电器的发热试验，动作符性校正和动热稳定等试验，多磁路调压变压器即可满足试验的需要。

用途：

多磁路变压器为国内首创产品，是一种新型的低电压、大电流发生装置。可用于大中小型低电压电器的发热试验，动作特性校正和动热稳定等试验。采用一台多磁路变压器可进行单相试验。采用三台同样的设备，则可进行三相试验。

多磁路变压器具有以下优点：

1.采用容量较小的调压器即可实现大容量范围内的全部调节，其调压容量与范围均可获得几倍的扩大。

2.由于多磁路变压器的绝大部分输出能量来自电网、输入电流波形中的5/6（即N-1/N）具有很好的正统性、能满足《低电压基本试验方法》的要求。

3.因为是1：N的调压方案，故设备投入电网后效率高，损耗小。

4.配套设备简单，调节与控制方便。

0~1.11~2.12~3.13~4.14~5.15~6.1

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

6Ud

,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16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13

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

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=4A1,2N2

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 fN2

2�(DA+DB)

h 

[d+13

(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 A1,2h

 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:

10������������������������变压器

�������������

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)

=�(2.9

ACB+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 (1.25

ACB+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=109.1=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)2lch

kR 10-8

,N轴向力�F&=4.9 FP  P

h

,N

式中�N绕组匝数

i电流峰值

kR

结构系数,kR=0.96~1

如果多磁路变压器是由x个等同磁路构成,每一磁路的容量则是同容量变压器的

1

x

。在等同的设计基准下,每个磁路的每匝电势和匝数是同容量变压器的

1x

,Na=1x N,相应的径向力减小为:

FP∃=6.4 (Nai)2lc∃h∃kR%1x

FP

式中�h∃多磁路绕组高度lc∃

绕组平均匝长

绕组所受抗张力为:F!∃=

FP∃

2�=1x

F!每匝导线的抗张应力为:!w∃=

F!∃NaAc=1x∋F!NAc=1

x!w

以上各式中,F!和!w分别表示常规变压器的抗11�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�����������

张力和抗张应力。

所以,与普通类型变压器相比较,多磁路变压器的绕组抗张力和线匝抗张应力分别减小为1x

和1x

。同上分析,绕组的轴向力和因此而产生的线匝应力同样减小为约1

x

和

1x

3.5�过电压问题

实验证明,在分断感性负载的过程中呈现在多磁路变压器一次绕组端部的暂态过电压高于常态变压器,其原因分析如下。

当负载电流被分断过零时,由于多磁路变压器的一次绕组有多个独立的磁路,它们的电流不可能同时趋零消失和同时产生暂态恢复电压。所产生的暂态电压则因电路分布参数不可能相同而具有不同的振荡频率和振幅。同时,由于暂态振荡电压是属于高频性质(对于380V以下的低压电路,频率在50~100kHz范围),因此,各相邻绕组之间便形成高频磁场的相互贯通和过电压的迭加,这样,其中必有一个或多个绕组产生多频高振荡的过电压,与单一的变压器绕组相比较,多磁路变压器往往会导致更高的且属于多频性质的过振荡电压。

显然,以上分析尚属于理论探讨性质,还有待于测试论证。

4�调压系统

多磁路变压器的调节磁路必须接入调压器才能实现全程的无级连续调节。由于多磁路变压器本机的允许过载倍数甚高于调压器,因此从适应过载考虑,配用的调压器必须有足够大的容量以便与之匹配。对于大容量多磁路系统而言,若选用感应调压器必然具有体积大、重量重、惯性大、调节迟钝、稳定性差等缺点。

为此,大容量调压系统可采用一种新的双环节组合式调控器,其工作框图如图5所示,整体由以下两个环节构成。

4.1�多级电压发生器与分配控制器

图5�双环节组合式调控系统框图

AT自耦调压器�XT辅助变压器�KC分配器TD

多级电压发生器�FD

反馈�S,P

输入与输出

��多级电压发生器TD由若干个不同参数的绕组构成。通过分配控制器KC,输出可以在0~满电压范围内分成11~23个等差级,从而使输出电压(UTD)以大约4%~10%的级差率递增至满电压值。

4.2�辅助自耦调压器

辅助自耦调压是由小容量自耦调压器AT和恒压电压比的辅助变压器XT所组成。输出为连续无级调节性质,它与TD的输出构成级联,从而实现在TD的任一阶梯内成为无级连续可调。

通过对辅助自耦调压器与分配器KC的联控便可对P端输出可连续调控电源。其效果与感应调压器相同,但使用的调压器容量只相当于后者的110

~

120

。图5中,分配器KC为开关式控制,可以用有接点开关或无接点的晶闸管等。运行中需要动态控制的只是一台小容量调压器AT。因而调控器在任何状态下均属平稳微调性质,不会出现如其他大功率调压设备所常见的振荡失控等不稳定现象,且因各环节元件均属线性特性元件,对输出电压、电流波形不存在导致畸变的因素。

如图5所示,将输出参变量P反馈至输入端S,并与要求参变量相比较,便可按需要进行自动调控。可以用微机调控,也可以用其他简易方式。

本节所述调节系统可以构成多磁路变压器的配套设备,其中图5的S、P相当于图1调节磁路DT的Uc输入和UD输出,也可以成为独立结构形式,以应用于大功率调控系统。