特種高阻抗變壓器的制作分析

張 聯(lián)，覃勇崎

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007)

0 引言

高阻抗變壓器與電力變壓器和普通整流變壓器低阻抗值的要求相比有較大差異，前者輸出特性為下降特性，后兩者輸出特性為平硬特性。常見高阻抗變壓器多是單相的，如弧焊變壓器等;而三相高阻抗變壓器則用于等離子切割設(shè)備上，其電源有幾種方式可以實(shí)現(xiàn):一是用普通整流變壓器串接獨(dú)立電抗器來達(dá)到整體變壓器輸出的要求;二是用電子控制的方式滿足輸出的要求，即所謂電子電抗器方式。這兩種方式各有特點(diǎn)，前者生產(chǎn)過程增加了附件，造成生產(chǎn)工序多;后者需要借助高頻電子器件來實(shí)現(xiàn)，元件要求高、控制線路復(fù)雜，且在大功率方面難以實(shí)現(xiàn)。因此，設(shè)想用增加普通變壓器阻抗的方法來達(dá)到要求，以使生產(chǎn)制作簡(jiǎn)潔，而在一些應(yīng)用場(chǎng)合也要求通過高阻抗變壓器來滿足大功率電源變換的要求。單相高阻抗變壓器生產(chǎn)方便，在中小功率的電源方面有較廣泛的應(yīng)用，而三相高阻抗變壓器則應(yīng)用于大功率電源設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)思想

高阻抗變壓器的制作或許還不算復(fù)雜，但在設(shè)計(jì)的過程中卻有較多的要求，因?yàn)楦咦杩棺儔浩鲄?shù)較離散，影響技術(shù)要求的參數(shù)較多，包括高阻抗變壓器的線圈的形狀、線圈匝數(shù)、元件之間的間距、甚至導(dǎo)線的長(zhǎng)度等都對(duì)性能產(chǎn)生影響;因此有時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)電子控制線路，其計(jì)算也不如設(shè)計(jì)一個(gè)高阻抗變壓器來得復(fù)雜。對(duì)于三相高阻抗變壓器在設(shè)計(jì)階段首先要解決電源設(shè)備對(duì)阻抗的要求，即根據(jù)電源負(fù)載的要求確定三相高阻抗變壓器每相輸出的阻抗，這是高阻抗變壓器外特性性能要求上的關(guān)鍵參數(shù);高阻抗變壓器的輸入輸出電壓，以及容量也是重要參數(shù)。現(xiàn)以三相高阻抗整流電源為例說明其設(shè)計(jì)制作的過程。

技術(shù)要求:變壓器Y/Y0接法，經(jīng)三相橋式整流器后輸出，直流空載電壓為U0，負(fù)載電壓為Ue，負(fù)載電流為Ie，負(fù)載持續(xù)率為FS=100%。電路如圖1 所示。

圖1 三相橋式整流電路

首先計(jì)算變壓器阻抗值，由于變壓器繞組線圈的電阻很小，可以忽略不計(jì)，因此變壓器的阻抗值可近似看成電抗值。

由圖1 可以看出，任何時(shí)候線路負(fù)載都是由某兩相電源供電，因此可以得出等值電路，如圖2 所示;若負(fù)載是電弧類負(fù)載，可看成是電阻性負(fù)載，用RL表示。

圖2 等值電路

設(shè)變壓器繞組形狀均一，則各相電抗相等，所以Xa=Xb=X。

整流電路輸出電壓波形如圖3 所示，從輸出波形可以看出，等值電路對(duì)應(yīng)于線電壓π/3 電角度范圍。通過計(jì)算得出π/3 電角度范圍內(nèi)的平均電壓，這個(gè)電壓就是整流輸出的平均電壓。

圖3 整流電路輸出電壓波形圖

則輸出空載電壓可得:

U0:整流輸出空載電壓;Ul:變壓器次級(jí)線電壓

通過此式可計(jì)算出變壓器次級(jí)每相繞組所需的電壓，從而為計(jì)算繞組匝數(shù)提供參數(shù)依據(jù)。

而負(fù)載時(shí):

電流波形與電壓波形相似，但初相位不同，為θ

將所有已知參數(shù)代入，可求得X 的值。

X 的值確定后，即可設(shè)計(jì)定型線圈的形狀，由于高阻抗變壓器參數(shù)較離散，可先按常規(guī)方法大致確定高阻抗變壓器的鐵芯、線圈各尺寸，然后校核實(shí)際X 值，并進(jìn)行修正，直到符合計(jì)算的X 值為止。

對(duì)于確定的變壓器有:

其中N2為副方匝數(shù);l2為副方平均匝長(zhǎng);AP為芯柱上線圈軸向上綜合尺寸;ρn為漏磁洛氏系數(shù)，與變壓器形狀有關(guān);H為線圈平均徑向尺寸。

高阻抗變壓器的形狀，主要指鐵芯和線圈繞組的形狀，通過計(jì)算公式可以看出它對(duì)變壓器的參數(shù)有直接的影響，可采用方形、圓形等形狀;對(duì)于三相大容量設(shè)備，采用接近圓柱的階梯形鐵芯和圓形線圈，一方面可使計(jì)算簡(jiǎn)潔些，另一方面可使制造過程節(jié)約材料。在為東風(fēng)柳州汽車公司水冷等離子切割設(shè)備設(shè)計(jì)制作的260 kVA 大容量高阻抗變壓器ZBSG -260/0.4即采用圓形方案。

確定好e 后，根據(jù)電壓以及變壓器聯(lián)接組關(guān)系的要求，可計(jì)算線圈繞組的匝數(shù)N=U/e，并根據(jù)負(fù)載持續(xù)率為FS 的值以及變壓器溫升的要求確定導(dǎo)線電流密度及導(dǎo)線截面積的大小，得出導(dǎo)線的規(guī)格。主要參數(shù)確定完，即可確定變壓器的結(jié)構(gòu)，并校核X 的值。至此高阻抗變壓器設(shè)計(jì)大體完成。

2 制作要點(diǎn)

高阻抗變壓器的制作與普通變壓器大致相同，但要注意，由于其漏磁較多，固定器件應(yīng)盡量采用抗磁材料來制作，特別是大容量高阻抗變壓器，沿鐵芯柱軸向緊固器身用的變壓器拉桿應(yīng)采用銅質(zhì)材料，而不能采用鋼鐵等順磁材料，否則，拉桿在高阻抗變壓器運(yùn)行時(shí)會(huì)由于渦流的產(chǎn)生而發(fā)熱，發(fā)燙，造成損耗，并影響變壓器的性能。此外要注意，變壓器上下橫向鐵軛的夾板、底架(因受力較大，一般采用槽鋼)與變壓器鐵芯之間，和與固定螺栓之間要用絕緣材料隔離，避免形成磁通回路，而造成夾板、螺栓產(chǎn)生渦流，增加變壓器損耗。

3 試驗(yàn)

高阻抗變壓器的制作完成，須進(jìn)行性能試驗(yàn)和安全試驗(yàn)。主要性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括:空載電壓、空載電流、整流輸出外特性等;主要安全試驗(yàn)項(xiàng)目包括:輸入對(duì)鐵芯、輸入對(duì)輸出、輸出對(duì)鐵芯的絕緣電阻以及介電強(qiáng)度試驗(yàn)、繞組匝間介電強(qiáng)度試驗(yàn)。為東風(fēng)柳州汽車公司水冷等離子切割設(shè)備設(shè)計(jì)制作的260 kVA 大容量高阻抗變壓器ZBSG -260/0.4 就通過了這類試驗(yàn)，其中測(cè)定的整流輸出外特性曲線為陡降特性，很好地符合設(shè)備的應(yīng)用要求。檢驗(yàn)合格后，送交用戶，至今已運(yùn)行了多年，性能良好。

4 結(jié)語

高阻抗變壓器的設(shè)計(jì)制作方法，從理論推論到實(shí)際制作經(jīng)過了實(shí)踐的檢驗(yàn)，是行之有效的，是實(shí)用的方法，為此類變壓器的制作提供了依據(jù)。

［1］鄭宜庭，黃石生.弧焊電源［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］周鶚.電機(jī)學(xué)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1958.

［3］冉文.電機(jī)與電氣控制［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［4］劉立平. 電力電子技術(shù)［M］. 北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［5］莫正康.晶閘管變流技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.