阅读说明：本技术 一种适用于多频率的试验变压器 (Test transformer suitable for multifrequency ) 是由 熊锋 刘国训 欧小平 何海江 于 2018-06-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种适用于多频率的试验变压器,所述试验变压器的铁心截面积根据变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围内的各种频率下的铁心最大磁密低于铁心所用硅钢片的饱和值、铁心最小磁密能保证该变压器正常有效工作来选取；所述试验变压器的铁心磁密按照使该变压器满足输入电压为标称数据的130％、运行电流不大于对应档位电流的70％时该变压器能频繁短时工作来选取。本发明所述试验变压器在电源频率从3Hz至120Hz的整个范围内均可正常工作,从而与电机试验站所需变频电源相适应。(The invention provides a test transformer suitable for multiple frequencies, wherein the sectional area of an iron core of the test transformer is selected according to the fact that the maximum magnetic density of the iron core under various frequencies within the frequency range from 3Hz to 120Hz provided by a variable frequency power supply is lower than the saturation value of silicon steel sheets used by the iron core, and the minimum magnetic density of the iron core can ensure that the transformer normally and effectively works; the magnetic density of the iron core of the test transformer is selected according to the requirement that the transformer can work frequently and in a short time when the input voltage of the transformer is 130% of the nominal data and the running current of the transformer is not more than 70% of the current of the corresponding gear. The test transformer can normally work in the whole range of power supply frequency from 3Hz to 120Hz, thereby being suitable for a variable frequency power supply required by a motor test station.)

一种适用于多频率的试验变压器

技术领域

本发明涉及变压器生产技术领域，具体涉及一种适用于多频率的试验变压器。

背景技术

目前，常规变压器的工作频率固定为50Hz或60Hz不变，相应的变压器参数也是基于该固定频率设计的，并不适用于其它频率，下面以变压器铁心截面积和铁心磁密为例具体进行描述。

一方面，现有常规变压器铁心的直径按照下述经验公式(1-1)选取：

在公式(1-1)中，D为铁心直径(mm)，K_D为经验系数，S_Z为变压器单柱容量(kVA)。其中，经验系数K_D是基于工作频率为50Hz或60Hz得出的；变压器单柱容量S_Z根据下述公式(1-2)得出：

在公式(1-2)中，S_Z为变压器单柱容量(kVA)，f为工作频率(Hz)，N为变压器线圈匝数，B为变压器铁心磁密(T)，A_Fe为变压器铁心截面积(由铁心直径决定)，J为线圈电流密度，A_导线为线圈导线截面积。结合公式(1-1)和(1-2)可得到，能够适应电源频率为50Hz或60Hz且标称额定容量为25MVA的常规变压器的铁心直径为510mm左右。

在变压器设计中，需考虑变压器整体技术经济性能，而其中铁心截面积的选取则直接决定了变压器的技术经济特性，因此变压器铁心截面积的适当选取至关重要。然而，根据公式(1-1)和(1-2)可以看出，经验系数K_D和变压器单柱容量S_Z均与工作频率f有关，相同容量的变压器在不同的频率下选取的铁心截面积也会有所不同，所以根据经验公式(1-1)和(1-2)选取的铁心截面积而设计的变压器仅适应50Hz和60Hz的电源频率，而不适应其它电源频率，更不能适应3Hz至120Hz变化范围如此之大的电源频率。

另一方面，目前我国常用冷轧硅钢片的饱和磁密B_m一般为1.9-2.0T，考虑到国家标准要求的过电压等因素后，现有常规变压器设计时，变压器在额定工作下的铁心磁密按照下述公式(1-3)选取：

B＝45×e_t/A_Fe (1-3)

在公式(1-3)中，B为铁心磁密(T)，e_t为线圈匝电势，A_Fe为铁心截面积(由铁心直径决定)。其中，线圈匝电势e_t根据下述公式(1-4)得出：

e_t＝U/N (1-4)

在公式(1-4)中，e_t为线圈匝电势，U为线圈电压(V)，N为线圈匝数。

将公式(1-4)代入公式(1-3)中，则得到公式(1-5)：

B＝45×U/(N·A_Fe) (1-5)

然而，公式(1-5)仅适用于电源频率为50Hz和60Hz时的常规变压器，其铁心磁密B一般按1.55-1.75T选取。常规变压器制作好后，铁心截面积A_Fe、原副边绕组匝数和电压均已定，无法更改。常规变压器采用的电源频率固定不变时其铁心磁密也固定不变，若要直接使用其它电源频率，则可能会导致变压器铁心出现饱和状态。

显然，根据公式(1-5)设计的常规变压器仅适应50Hz和60Hz的电源频率，而不适应其它电源频率，更不能适应3Hz至120Hz变化范围如此之大的电源频率，否则变压器铁心磁密B会出现饱和甚至严重饱和状况，导致变压器无法安全运行。

可见，现有常规变压器仅能适应电源频率为50Hz和60Hz时正常运行，而无法适应电源频率从3Hz至120Hz整个频率范围内运行，原因是既不能满足性能参数要求，也不能安全可靠运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种适用于多频率的试验变压器，其在电源频率从3Hz至120Hz的整个范围内均可正常工作，从而与电机试验站所需变频电源相适应。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种适用于多频率的试验变压器，所述试验变压器的铁心截面积根据变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围内的各种频率下的铁心最大磁密低于铁心所用硅钢片的饱和值、铁心最小磁密能保证该变压器正常有效工作来选取；所述试验变压器的铁心磁密按照使该变压器满足输入电压为标称数据的130％、运行电流不大于对应档位电流的70％时该变压器能频繁短时工作来选取。

可选地，所述试验变压器采用变磁通变压器，工作时其铁心磁密随变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围内的频率变化而变化。

可选地，为适应变频电源提供的3～12Hz的低频范围内的频率，所述试验变压器工作在该低频范围内时，按照变频器的压频比不大于标称数据来选取铁心截面积；

为适应变频电源提供的12～80Hz的中频范围内的频率，所述试验变压器工作在该中频范围内且过电压为1.3倍时，按照其铁心最大磁密低于铁心所用硅钢片的饱和值1.9-2.0T来选取铁心截面积；

为适应变频电源提供的80～120Hz的高频范围内的频率，所述试验变压器工作在该高频范围内时，按照其电流输出能力不低于额定值的70％来选取铁心截面积。

可选地，所述试验变压器的铁心磁密根据如下公式来选取：

其中，B为铁心磁密(T)，U为线圈电压(V)，f为工作频率，N为线圈匝数，A_Fe为铁心截面积。

可选地，对应于变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围，所述试验变压器的铁心磁密设计为0.1～1.75T。

进一步地，所述试验变压器的工作频率为50Hz时，其铁心磁密设计为0.3～0.5T；所述试验变压器的工作频率为12Hz且过电压为1.3倍时，其铁心磁密设计为1.85T；所述试验变压器的工作频率为16Hz且过电压为1.3倍时，其铁心磁密设计为1.88T。

可选地，所述试验变压器在任何工况运行时，其瞬间最大短路峰值电流为额定电流的3倍，且持续时间不大于200ms，以保证变压器在此状态下不发生有害变形，从而满足变压器抗短路能力的要求。

可选地，所述试验变压器的每相原边绕组分为第一原边绕组和第二原边绕组，所述第一原边绕组分为串联联接的第一原边内绕组和第一原边外绕组，所述第二原边绕组分为串联联接的第二原边内绕组和第二原边外绕组；

所述试验变压器的每相副边绕组分为第一副边绕组和第二副边绕组，所述第一副边绕组分为串联联接的第一副边内绕组、第一副边中绕组和第一副边外绕组，所述第二副边绕组分为串联联接的第二副边内绕组、第二副边中绕组和第二副边外绕组；

所述第一副边内绕组、所述第二副边内绕组、所述第一原边内绕组、所述第二原边内绕组、所述第一副边中绕组、所述第二副边中绕组、所述第一原边外绕组、所述第二原边外绕组、所述第一副边外绕组和所述第二副边外绕组从内至外依次套装在所述铁心上。

可选地，所述第一原边绕组与所述第二原边绕组的结构和匝数分别相同，所述第一原边内绕组和所述第一原边外绕组的匝数相同，所述第二原边内绕组和所述第二原边外绕组的匝数相同；

所述第一副边绕组与所述第二副边绕组的结构和匝数分别相同，所述第一副边内绕组、所述第一副边中绕组和所述第一副边外绕组的匝数相同，所述第二副边内绕组、所述第二副边中绕组和所述第二副边外绕组的匝数相同。

可选地，所述原边绕组采用圆筒式绕组或螺旋式绕组；所述副边绕组采用双螺旋式绕组，且轴向并绕。

可选地，所述试验变压器的冷却方式采用强油循环水冷方式。

有益效果：

本发明所述试验变压器的铁心截面积和铁心磁密采用上述方式进行选取，而不是利用现有常规变压器的经验公式来选取，能够适应3Hz至120Hz频率范围内的各种电源频率。

附图说明

图1为现有常规变压器的绕组结构和排列方式示意图；

图2为本发明实施例提供的适用于多频率的试验变压器的绕组结构和排列方式示意图。

图中：LV－低压绕组；MV－中压绕组；HV－高压绕组；tap－调压绕组；LV内1－第一副边内绕组；LV内2－第二副边内绕组；HV1内－第一原边内绕组；HV2内－第二原边内绕组；LV中1－第一副边中绕组；LV中2－第二副边中绕组；HV1外－第一原边外绕组；HV2外－第二原边外绕组；LV外1－第一副边外绕组；LV外2－第二副边外绕组。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明所述试验变压器是根据18000kW级电机试验站的要求设计并制造的，其标称额定容量为25MVA。所述试验变压器作为试验站变频电源的输出隔离变压器，为试验站提供相应电压等级的交流电机试验电源。所述试验变压器为非标设计，可用于大型三相异步电动机或同步电动机的型式试验和出厂试验。下面通过具体实施例进行详细描述。

为了与电机试验站所需变频电源相适应，本实施例提供一种适用于多频率的试验变压器，具体适用于从3Hz至120Hz频率范围内的各种频率，即频率范围从3Hz至120Hz的各种频率下变压器均可正常工作。所述试验变压器的铁心截面积根据变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围内的各种频率下的铁心最大磁密低于铁心所用硅钢片的饱和值、铁心最小磁密能保证该变压器正常有效工作来选取；所述试验变压器的铁心磁密按照使该变压器满足输入电压为标称数据的130％、运行电流不大于对应档位电流的70％时该变压器能频繁短时工作来选取。其中，频繁短时工作指的是每小时间隔5min频繁工作，即试验变压器每工作一小时就停止工作五分钟。

较优地，所述试验变压器采用变磁通变压器，工作时其铁心磁密随变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围内的频率变化而变化。

本实施例中，所述试验变压器的额定频率为12Hz。

其一，为适应变频电源提供的3～12Hz的低频范围内的频率，所述试验变压器工作在该低频范围内时，按照变频器的压频比不大于标称数据来选取铁心截面积，即在该低频范围内需保证变频器的压频比不大于标称数据，此时可满容量使用，且变压器铁心磁密相应运行在不大于标称数据下时的磁密。

其二，当变频电源提供12～80Hz的中频范围内的频率时，在变压器的工作电压不大于最高工作电压的条件下，均可按对应档位满容量使用，即处于该中频范围内的变压器可在不大于最高工作电压的各种工作电压下满容量工作。具体地，为适应变频电源提供的12～80Hz的中频范围内的频率，所述试验变压器工作在该中频范围内且过电压为1.3倍时，按照其铁心最大磁密低于铁心所用硅钢片的饱和值1.9-2.0T来选取铁心截面积。

其三，为适应变频电源提供的80～120Hz的高频范围内的频率，所述试验变压器工作在该高频范围内时，在其工作电压不大于最高工作电压的条件下，按照其电流输出能力不低于额定值的70％来选取铁心截面积。

发明人经试验验证，能够适应电源频率为3～120Hz且标称额定容量为25MVA的常规变压器的铁心直径为770mm左右，相应的铁心截面积约为0.465m²。

为保证本实施例所述试验变压器在低频及高频时均能正常可靠工作，专门对硅钢片运行在低频(如3Hz、12Hz)及高频(如80Hz、100Hz、120Hz)时的各种特性(如磁感、铁损等)进行了试验测试和专题分析研究，并采用专用VIT软件对硅钢片的噪声和温升进行了分析和验证。

本实施例中，所述试验变压器的铁心磁密根据如下公式(1-6)来选取：

在公式(1-6)中，B为铁心磁密(T)，U为线圈电压(V)，f为工作频率，N为线圈匝数，A_Fe为铁心截面积。

设计时，应选取合适的铁心磁密大小，使变压器满足输入电压为标称数据的130％、运行电流不大于对应档位电流的70％时，该变压器能频繁短时工作。

对应于变频电源提供的从3Hz至120Hz频率范围，所述试验变压器的铁心磁密B设计为0.1～1.75T。

较优地，所述试验变压器的工作频率为50Hz时，其铁心磁密B设计为0.3～0.5T；所述试验变压器的工作频率为12Hz且过电压为1.3倍时，其铁心磁密B设计为1.85T；所述试验变压器的工作频率为16Hz且过电压为1.3倍时，其铁心磁密设计为1.88T。

发明人发现，现有变压器的短路阻抗按照下述公式(1-7)选取：

在公式(1-7)中，U_kx为变压器短路阻抗(％)，f为工作频率，I_N为线圈电流，W为线圈匝数，ρ为洛氏系数，K取值1，ΣD为漏磁面积，e_t为线圈匝电势，H_k为线圈电抗高度。

根据公式(1-7)可以看出，对于电源频率为50Hz或60Hz的常规变压器，其短路阻抗U_kx是一个不变的定值，故流经变压器的短路电流也为定值，能满足抗短路能力的要求。但当电源频率从3Hz至120Hz变化时，短路阻抗U_kx会在不同的电源频率下呈现不同的数值，而且对于公式(1-7)而言，当其它条件不变时，变压器短路阻抗U_kx与工作频率f成正比，特别是当工作频率很小时，短路阻抗U_kx也会很小，若此时出现短路，流经变压器的短路电流将会对变压器造成非常严重的破坏。因此公式(1-7)设计的常规变压器仅适应50Hz和60Hz的电源频率，而不适应其它电源频率，更不能适应3Hz至120Hz变化范围如此之大的电源频率。

为使变压器运行在电源频率很小时，也能避免变压器受到损坏，应采取如下措施：

一方面，所述试验变压器在任何工况运行时，其瞬间最大短路峰值电流为额定电流的3倍，且持续时间不大于200ms，以保证变压器在此状态下不发生有害变形，从而满足变压器抗短路能力的要求。

另一方面，对变压器的绕组结构及排列方式采用特殊设计。

如图1所示，在现有常规变压器中，变压器绕组包括从内至外依次套设在铁心上的低压绕组LV、中压绕组MV、高压绕组HV和调压绕组tap。发明人经试验验证，图1所示常规变压器的绕组结构及排列方式仅适应50Hz和60Hz的电源频率，若是电源频率较小，则变压器短路阻抗也相应变小，此时易出现短路，流经变压器的短路电流将会对变压器造成非常严重的破坏。

为了避免变压器短路阻抗随电源频率的减小而变小，本实施例所述试压变压器采用图2所示特殊设计的绕组结构及排列方式。

如图2所示，本实施例所述试验变压器的绕组包括原边绕组(即高压绕组HV)和副边绕组(即低压绕组LV)，且在绕组排列上，将原、副边绕组分成几部分交替排列。

具体地，每相原边绕组分为第一原边绕组和第二原边绕组，第一原边绕组分为串联联接的第一原边内绕组HV1内和第一原边外绕组HV1外，第二原边绕组分为串联联接的第二原边内绕组HV2内和第二原边外绕组HV2外；

每相副边绕组分为第一副边绕组和第二副边绕组，第一副边绕组分为串联联接的第一副边内绕组LV内1、第一副边中绕组LV中1和第一副边外绕组LV外1，第二副边绕组分为串联联接的第二副边内绕组LV内2、第二副边中绕组LV中2和第二副边外绕组LV外2；

第一副边内绕组LV内1、第二副边内绕组LV内2、第一原边内绕组HV1内、第二原边内绕组HV2内、第一副边中绕组LV中1、第二副边中绕组LV中2、第一原边外绕组HV1外、第二原边外绕组HV2外、第一副边外绕组LV外1和第二副边外绕组LV外2从内至外依次套装在铁心上。

其中，第一原边绕组与第二原边绕组的结构和匝数分别相同，第一原边内绕组HV1内和第一原边外绕组HV1外的匝数相同，第二原边内绕组HV2内和第二原边外绕组HV2外的匝数相同；

第一副边绕组与第二副边绕组的结构和匝数分别相同，第一副边内绕组LV内1、第一副边中绕组LV中1和第一副边外绕组LV外1的匝数相同，第二副边内绕组LV内2、第二副边中绕组LV中2和第二副边外绕组LV外2的匝数相同。

较优地，所述原边绕组采用圆筒式绕组或螺旋式绕组；所述副边绕组采用双螺旋式绕组，且轴向并绕。

此外，本实施例中，针对该试验变压器运行的特殊工况，分析其低频特性和高频特性，所述试验变压器的冷却方式优选采用强油循环水冷方式，以保证其温升能满足运行要求。具体地，所述试验变压器运行时采用一组强油水冷却器YSLC0.6-630进行冷却。

综上所述，本实施例所述试验变压器能满足变压器从原边抽头且电压升高时能按相应容量正常运行，还能满足过电压为1.1倍时长期稳定运行，过电压为1.3倍时70％负荷每小时间隔5min频繁工作。所述试验变压器能保证变压器副边输出的空载电压和负载电压均小于或等于预设的定值，并保证该变压器在一定条件下能承受一定程度的短路电流。

发明人经试验验证，本实施例所述试验变压器能满足电机厂18MW级电机试验站所需试验变压器的技术参数要求，并已成功安全可靠运行。而且，所述试验变压器具有损耗低，结构紧凑、体积小，成本低等特点。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。