許志偉，謝衛(wèi)才，彭 曉，李永堅

(湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

新型不對稱接線平衡變壓器電磁設(shè)計*

許志偉，謝衛(wèi)才，彭 曉，李永堅

(湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

不對稱接線平衡變壓器是一種新型特種變壓器，其短路阻抗需要滿足一定的約束關(guān)系式.對不對稱接線變壓器的繞組，鐵心進(jìn)行了設(shè)計，最后驗證了短路阻抗關(guān)系式.結(jié)果表明不對稱接線平衡變壓器設(shè)計是完全可行的，為變壓器的研制打下堅實基礎(chǔ). 關(guān)鍵詞：不對稱接線；平衡變壓器；電磁設(shè)計；短路阻抗

0 引言

不對稱接線平衡變壓器是近年來新提出的一種綜合性能優(yōu)良的平衡變壓器[1-3].作為一種新型變壓器，其繞組結(jié)構(gòu)特殊，繞組短路阻抗之間還需要滿足一定的約束關(guān)系，其電磁設(shè)計與傳統(tǒng)變壓器不同，沒有現(xiàn)成的設(shè)計方案[4-5].本文從原始設(shè)計數(shù)據(jù)出發(fā)，得到了變壓器的繞組結(jié)構(gòu)，鐵心結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案.并且驗證了該設(shè)計滿足平衡條件約束，證明，該電磁方案是正確的.為該特殊變壓器的研制打下了基礎(chǔ).

1 額定參數(shù)

不對稱接線2 kVA特種變壓器模型為干式變壓器的原始參數(shù)為；一次側(cè)三相線電壓為380 V；二次側(cè)兩相輸出電壓為220 V；

額定頻率為50 Hz；一次側(cè)額定電流為3.039 A；二次側(cè)額定電流4.545 A： 一、二次側(cè)相電壓均為220 V.

2 鐵心計算

按照如下公式計算鐵心直徑.

其中D、S柱、K分別表示鐵心直徑、變壓器每柱容量(kVA)、經(jīng)驗系數(shù).

S柱=1 kVA.

可得：D=90

鐵心凈截面積為:54.711 cm2.其中疊片系數(shù)取0.86.

3 基本繞組參數(shù)計算

(1) 每匝繞組電壓et分析：

et=2.22×B×Sc×10-2

計算結(jié)果為：

et=1.9433 V

下面計算每匝繞組電壓及其磁通密度校正：

(2)一、二次側(cè)壓繞組匝數(shù)計算:

計算得到的輸出二次側(cè)最大電流密度為0.4288A/mm2

(4)繞組層數(shù)分析：

一次側(cè)繞組10層，總匝數(shù)113.二次側(cè)繞組有兩種，繞組數(shù)W2的為6層，總匝數(shù)65.繞組數(shù)W3層數(shù)為4層，總匝數(shù)48.層數(shù)分布見表1.

表1 繞組層數(shù)分布

考慮裕度后取值為89 mm,

考慮裕度后取值89 mm.

(6)層間絕緣和繞組線圈輻向尺寸：層間絕緣采用兩層0.12 mm電纜紙.導(dǎo)線計算厚度乘以層數(shù)，再加上繞組層間絕緣厚度，并適當(dāng)考慮繞組裕度.

一次側(cè)繞組：取27 mm.

二次側(cè)W2繞組(B相除外)：取16 mm.

二次側(cè)W3繞組：取11 mm.

4 B相繞組參數(shù)計算

(1)二次側(cè)線圈輻向尺寸(考慮輻向繞組裕度，乘以1.02倍，并湊成0.5的倍數(shù))：

二次側(cè)線圈輻向尺寸取值為28.5.

圖1 B相繞組示意圖

圖1中a2表示二次側(cè)②號繞組輻向?qū)挾龋?r12為①、②繞組的絕緣距離， a1為一次側(cè)繞組輻向?qū)挾?

l2表示二次側(cè)②號繞組總長，l1一次側(cè)①號繞組總長，Rb2，Pb2為二次側(cè)②號繞組的電阻和損耗，Rb1，Pb1為二次側(cè)①號繞組的電阻和損耗.

(2)B相絕緣半徑的計算

鐵心半徑r：45

套裝裕度r0：5.5

二次側(cè)繞組內(nèi)徑: 50.5

二次側(cè)繞組輻向?qū)挾萢2： 28.5

二次側(cè)繞組外半徑: 79

一次側(cè)繞組絕緣距離r12：10

一次側(cè)繞組內(nèi)半徑: 89

一次側(cè)繞組輻向?qū)挾萢1:27

一次側(cè)繞組外半徑: 116

(3)B相繞組電阻計算

二次側(cè)繞組總長：l2=N2×2πr2p=26444 mm一次壓繞組總長：l1=N12πr1p=72775 mm

B相繞組電阻值：

Rb2=0.0232 Ω

Rb1=0.1269 Ω

(4)繞組電阻損耗，負(fù)載損耗為：

B相總損耗(乘了1.02倍系數(shù))：

PB=1.8472 W

(5)B相兩個繞組短路電抗計算：

∑D=23.889 cm2

H12=78.8 mm

λ=65.1 mm

∴ρ=0.7370

B相繞組的短路電抗為(百分?jǐn)?shù)表示)：

∴UX12%=0.9383%

5 C相、A相繞組設(shè)計

圖2 C相繞組示意圖

圖3 A相繞組示意圖

C相、A相的設(shè)計過程與B相相似.計算結(jié)果如表2所示.

r0表示套裝裕度，a3為二次側(cè)③號繞組輻向?qū)挾龋琣31為二次側(cè)③號繞組內(nèi)半徑，a32為二次側(cè)③號繞組外半徑，r23為二次側(cè)繞組絕緣距離, r2p二次側(cè)繞組平均半徑，a21二次側(cè)②號繞組內(nèi)半徑，a2二次側(cè)②號繞組輻向?qū)挾?，a22二次側(cè)②號繞組外半徑，r12為①、②繞組絕緣距離，a11一次側(cè)①號繞組內(nèi)半徑，a1一次側(cè)繞組輻向?qū)挾?，a12一次側(cè)①號繞組外半徑，l3為二次側(cè)3號繞組總長，l2為二次側(cè)②號繞組總長，l1為一次側(cè)①號繞組總長，Rc3，Pc3為二次側(cè)③號繞組電阻和損耗，Rc2，Pc2為二次側(cè)②號繞組電阻和損耗，Rc1，Pc1為二次側(cè)①號繞組電阻和損耗，Ur12% ，Ur13% ，Ur23% ，Ux13%Ux13% ，Ux13%分別為對應(yīng)繞組短路電抗值.

表2 C相、A相繞組設(shè)計結(jié)果

6 繞組短路阻抗關(guān)系式分析

可將短路阻抗分為短路電抗和短路電阻兩部分.驗證設(shè)計結(jié)果是否符合要求.因為電阻值很小，可忽略不計.只需將電抗部分帶入約束關(guān)系式.

約束關(guān)系式如下：

驗證過程如下：

將短路電抗帶入進(jìn)行驗證：

(3)

最大誤差小于5%，與B相的值0.9383%比較后接近，說明設(shè)計是合適的.

7 結(jié)語

不對稱接線平衡變壓器作為一種新的平衡變壓器，其設(shè)計沒有現(xiàn)成的方案可以借鑒.本文從原始數(shù)據(jù)出發(fā)，對不對稱平衡變壓器的電磁方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，給出了設(shè)計結(jié)果，并驗證了短路阻抗關(guān)系式.表明設(shè)計方案的正確性.為不對稱平衡變壓器的制造打下了堅實的基礎(chǔ).

[1] 許志偉，羅隆福，張志文．新型不對稱接線三相變兩相平衡變壓器[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32(24)：148-155 .

[2] 許志偉，羅隆福，張志文．新型不對稱接線三相變四相平衡變壓器[J]．電力自動化設(shè)備，2012，32(24)：148-155．

[3] 李永堅，許志偉，彭 曉. 基于能量法的不對稱平衡變壓器短路阻抗分析[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報, 2014, 24(1): 5-7．

[4] 崔立君. 特種變壓器理論與設(shè)計[M]. 北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.

[5] 劉傳彝．電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐[M]．遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002：32-35 .

[6] 許志偉．基于新型平衡變壓器與感應(yīng)濾波技術(shù)的電氣化鐵道電能質(zhì)量治理研究[D]．湖南大學(xué)博士學(xué)位論文，2014：72-75.

Electromagnetic Design of Asymmetrical Connection Balanced Transformer

XU Zhi-wei,XIE Wei-cai,PENG Xiao,LI Yong-jian

(Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Balanced transformer is a special transformer. The short-circuit impedance need meet certain constraints. In this paper, the design of the winding and the core of the asymmetrical connection transformer are designed. The results show that the design of the balanced transformer is completely feasible, which lays a solid foundation for the development of the transformer.

asymmetricat connection; balanced transformer; electromagnetic design; short-circuit impedance

2016-07-10

湖南省教育廳創(chuàng)新平臺項目(15K031)；湖南工程學(xué)院博士科研啟動基金項目(15046)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點實驗室開放研究基金資助項目(FLFDYB02)；湖南省科技廳重點研發(fā)計劃項目(2016GK2018)

許志偉 (1978 - )，男，博士，副教授，研究方向：新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、特種變壓器等.

TM301.2；TM921.2

A

1671-119X(2016)04-0023-04