高压谐振变压器的研究

2006-05-07 15:49:50来源: 电源技术应用

2 谐振变压器原理

    2.1 结构特征

    谐振变压器的铁心可以做成两种不同的结构:壳式和心式。心式铁心变压器在一系列主要指标方面不如壳式铁心变压器,其重量和外型尺寸较大,调节气隙的传动机构比较复杂。为此,我们研制的试验装置采用壳式结构,见图1。谐振变压器绕组套装在可移动的中心柱外面。

2.2 特性曲线

    谐振变压器的特性曲线如图2所示。由图2可见,在不同气隙长度δ下,谐振变压器的伏安特性具有良好的线性关系,其电感L与变压器上的电压值无关。因而这种谐振变压器在用于交流谐振试验时,可先在低压条件下进行调谐(通过传动机构改变动铁心与下轭铁心之间的气隙长度),当调谐到谐振时,再升高试验电压,系统调谐非常方便。

2.3 回路电感L与铁心气隙长度δ的关系

    气隙可调谐振变压器,无论是串联型还是并联型,都是通过调节铁心气隙长度,改变回路电感量L,使谐振变压器发生谐振。这就是对于具有一定对地电容的被试器,通过改变铁心气隙长度使谐振变压器发生谐振的机理。但是需要注意的是气隙长度不可过大,过大会使已建立的谐振条件遭到破坏。

2.4 调谐原理

(1)串联调谐

    串联谐振变压器的等值电路如图3所示。当对谐振变压器施加US=220V,f=50Hz的工频电压后,通过手动或自动调节,使即ωL=1/ωC即XL=XC时,回路发生串联谐振,这里回路电流IS最大

    =Us/(RL+RC)

    因为RC>>RL,则有

    Is≈US/Rc    (1)

    被试品上的电压UC和调谐电抗器上的电压UL分别为:

    Uc=(1/ωc)Is=XcIs    UL=ωLIs=XLIs

    当调谐到谐振时Uc=UL=ω0LIs=(ω0L/Rc)Us    (2)

    式(2)中比值ω0L/Rc=(根号L/C的2次方)/Rc=Q    (3)

    ω0为谐振角频率Q称为串联谐振回路的品质因数。因为(根号L/C的2次方)>>RC,所以Q>>1。从而得出电源容量

    Ps=UsIs=(Uc/Q)Is=Pc/Q    (4)

    由式(4)可知,当谐振变压器调谐到谐振时,电源电压和容量均为被试品对应电压和容量的1/Q。所以与一般试验变压器相比,谐振变压器具有重量轻、体积小的优点。

    (2)并联调谐

    并联谐振变压器的等值电路如图4所示。

    当RL≤ωL,Rc≤1/ωc时,并联谐振的谐振频率fo为:

    并联回路的品质因数Q为:

    Q=(ω0L)/(RL+Rc)=1(RL+Rc)ω0C    (6)

    式中RL、RC——电感、电容的等效串联电阻(Ω)

    L——调谐电抗器电感(H)

    C——试品对地电容(F)

    当向并联谐振变压器施加50Hz交流电压时,随着电压的升高,回路中将产生强迫振荡。当回路的振荡频率等于外施电源频率时,回路的阻抗最大(且呈纯电阻性),因而回路电流最小,但L和C上的电流IL和IC都是回路电流I的Q倍,即IL=IC=QI。

3 谐振变压器主要参数的计算

3.1 电感L的计算

    (1)漏感LS的计算

    Ls=[(4πN 2 Ss×10 -9)/Ls](H)    (7)

    式中SS——漏磁通等值截面积(cm2)

    lS——漏磁通等值长度(cm)

    N——绕组匝数

    (2)主电感LO的计算

    L0=[(4πN 2 Ss×10 -9)/δ](H)    (8)

    式中δ——气隙长度(cm)

    Sδ——间隙磁路等值截面积(cm2)

    (3)总电感L的计算

    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 铁心尺寸的计算

    (1)阶梯型铁心外接园直径

    D=K(根号的4次方)(cm)    (10)

    式中S——铁心单柱容量(kVA)

    K——比例系数,4.5~5.5(选用冷轧硅钢片时取小值)

    (2)铁心有效截面积SG

    SG=(πD2/4)KyKd    (11)

    式中Ky=0.9——铁心级数利用系数

    Kd=0.93——铁心叠片系数

3.3 绕组匝数的计算(12)

    式中N1——一次线圈匝数

    U1——一次线圈电压(电源电压),可取220V或380V

    f——电源频率,为50Hz

    B——铁心磁通密度,(1.5~1.8)×104Gs

    二次线圈匝数N2的求法同上,只需将式中U1以二次线圈电压代换即可。

3.4 最小气隙δmin和最大气隙δmax的计算

    (1)δmin的计算

    式中KL——电感调节系数,6.5~7.0

    (2)δmax的计算

    δmax≈KδKLKδmin    (14)

    式中Kδ=2.2~2.5

    谐振变压器的其它参数与普通电抗器的计算类似。

4 150kVA谐振试验变压器的设计

    用上述计算公式对一台电源电压U1=0.22kV,输出电压U2=15kV,输出功率P2=150kVA,且能对最大计算电容为2μF的试品进行工频高压试验的谐振变压器进行设计。变压器动铁心柱及套装在外面的一、二次绕组如图5所示,其中主要参数的计算结果如下:

    D=12cm,动铁心外接园直径

    D1=13.5cm,一次绕组内径

    D2=18cm,二次绕组内径

    D3=25.5cm,二次绕组外径

    H=37cm,绕组高度

    N1=66匝,一次绕组匝数

    N2=4464匝,二次绕组匝数

    谐振变压器调谐电感参数的计算值与实测值如表1所示。

表1 调谐电感参数的计算值与实测值

δ(cm) 1 2 3 4 5 6 7 8
L计算值(H) 31.61 18.96 14.47 12.64 11.37 10.53 9.92 9.47
L测量值(H) 29.93 18.12 15.3 13.2 11.8 10.7 10.3 8.95
误差(%) 5.6 4.6 -5.4 -4.3 -3.6 -1.6 -3.7 5.8

5 结论

    (1)由表1可知,计算值与实测值最大误差不超过6%,说明上述计算公式具有较高精度,足以满足工程计算的要求。

    (2)当试验接近于试品的最大电容计算值时,试品上的电压可能超过按变压比决定的数值,为了降低电压谐振的效应,应使变压器二次线圈的漏抗尽可能小,同时应在输出回路加装防过压装置。

    (3)因电压与气隙δ无关,因而应先在较低电压下进行调谐,当谐振发生后,再将输出电压升高到试品的试验值。

    (4)在气隙调节过程中,变压器的铁心和机械传动机构受到很大的电磁力作用,造成较强的振动、噪声,严重时会损坏谐振变压器的部件。因此这种装置的机械结构应特殊设计。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2218.html
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