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1. 文章前言
隨著我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用變頻串聯(lián)諧振技術(shù)對大容量電氣設備進行工頻耐壓試驗已經(jīng)成為現(xiàn)實，目前已被廣泛用于電纜，電容器、發(fā)電機等具有大電容的電力設備的交流試驗。原理是通過調(diào)節(jié)變化的電感L，使其與被試品對地電容C發(fā)生諧振。本文用一臺150kVA串聯(lián)諧振變壓器為模板，闡述高壓串聯(lián)諧振變壓器的原理與有關(guān)參數(shù)的計算。
2. 串聯(lián)諧振變壓器原理
2.1 結(jié)構(gòu)特征：諧振變壓器的鐵心可以做成兩種不同的結(jié)構(gòu)：殼式和心式。心式鐵心變壓器在一系列主要指標方面不如殼式鐵心變壓器，其重量和外型尺寸較大，調(diào)節(jié)氣隙的傳動機構(gòu)比較復雜。為此，我們研制的試驗裝置采用殼式結(jié)構(gòu)，諧振變壓器繞組套裝在可移動的中心柱外面。
2.2 特性曲線：諧振變壓器的特性曲線如圖2所示。由圖2可見，在不同氣隙長度δ下，諧振變壓器的伏安特性具有良好的線性關(guān)系，其電感L與變壓器上的電壓值無關(guān)。因而這種諧振變壓器在用于交流諧振試驗時，可先在低壓條件下進行調(diào)諧（通過傳動機構(gòu)改變動鐵心與下軛鐵心之間的氣隙長度），當調(diào)諧到諧振時，再升高試驗電壓，系統(tǒng)調(diào)諧非常方便。
串聯(lián)諧振變壓器廠家揚州拓普電氣科技有限公司：
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串聯(lián)諧振變壓器詳細說明書請登錄揚州拓普電氣科技有限公司*下載： http://www.yztpdq.com
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2.3 回路電感L與鐵心氣隙長度δ的關(guān)系：氣隙可調(diào)諧振變壓器，無論是串聯(lián)型還是并聯(lián)型，都是通過調(diào)節(jié)鐵心氣隙長度，改變回路電感量L，使諧振變壓器發(fā)生諧振。這就是對于具有一定對地電容的被試器，通過改變鐵心氣隙長度使諧振變壓器發(fā)生諧振的機理。但是需要注意的是氣隙長度不可過大，過大會使已建立的諧振條件遭到破壞。
2.4 調(diào)諧原理：（1）串聯(lián)調(diào)諧：串聯(lián)諧振變壓器的等值電路如圖3所示。當對諧振變壓器施加US=220V，f=50Hz的工頻電壓后，通過手動或自動調(diào)節(jié)，使即ωL=1/ωC即XL=XC時，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，這里回路電流ISzui大=Us/（RL+RC）因為RC>>RL，則有Is≈US/Rc （1）被試品上的電壓UC和調(diào)諧電抗器上的電壓UL分別為： Uc=（1/ωc）Is=XcIs UL=ωLIs=XLIs當調(diào)諧到諧振時Uc=UL=ω0LIs=（ω0L/Rc）Us （2）式（2）中比值ω0L/Rc=（根號L/C的2次方）/Rc=Q （3）ω0為諧振角頻率Q稱為串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。因為（根號L/C的2次方）>>RC，所以Q>>1。從而得出電源容量Ps=UsIs=（Uc/Q）Is=Pc/Q （4）由式（4）可知，當諧振變壓器調(diào)諧到諧振時，電源電壓和容量均為被試品對應電壓和容量的1/Q。所以與一般試驗變壓器相比，諧振變壓器具有重量輕、體積小的優(yōu)點。（2）并聯(lián)調(diào)諧并聯(lián)諧振變壓器的等值電路如圖4所示。當RL≤ωL，Rc≤1/ωc時，并聯(lián)諧振的諧振頻率fo為：并聯(lián)回路的品質(zhì)因數(shù)Q為： Q=（ω0L）/（RL+Rc）=1（RL+Rc）ω0C （6）式中RL、RC——電感、電容的等效串聯(lián)電阻（Ω） L——調(diào)諧電抗器電感（H） C——試品對地電容（F）當向并聯(lián)諧振變壓器施加50Hz交流電壓時，隨著電壓的升高，回路中將產(chǎn)生強迫振蕩。當回路的振蕩頻率等于外施電源頻率時，回路的阻抗zui大（且呈純電阻性），因而回路電流zui小，但L和C上的電流IL和IC都是回路電流I的Q倍，即IL=IC=QI。
3. 串聯(lián)諧振變壓器主要參數(shù)的計算
3.1 電感L的計算： （1）漏感LS的計算Ls=[（4πN 2 Ss×10 -9）/Ls]（H） （7）式中SS——漏磁通等值截面積（cm2） lS——漏磁通等值長度（cm）N——繞組匝數(shù)（2）主電感LO的計算L0=[（4πN 2 Ss×10 -9）/δ]（H） （8）式中δ——氣隙長度（cm）Sδ——間隙磁路等值截面積（cm2）（3）總電感L的計算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 鐵心尺寸的計算：（1）階梯型鐵心外接園直徑D=K（根號的4次方）（cm） （10）式中S——鐵心單柱容量（kVA） K——比例系數(shù)，4.5～5.5（選用冷軋硅鋼片時取小值）（2）鐵心有效截面積SGSG=（πD2/4）KyKd （11）式中Ky=0.9——鐵心級數(shù)利用系數(shù)Kd=0.93——鐵心疊片系
3.3 繞組匝數(shù)的計算（12）式中N1——一次線圈匝數(shù)U1——一次線圈電壓（電源電壓），可取220V或380V，f——電源頻率，為50Hz B——鐵心磁通密度，（1.5～1.8）×104Gs，二次線圈匝數(shù)N2的求法同上，只需將式中U1以二次線圈電壓代換即可。
3.4 zui小氣隙δmin和zui大氣隙δmax的計算：（1）δmin的計算：式中KL——電感調(diào)節(jié)系數(shù)，6.5～7.0（2）δmax的計算δmax≈KδKLKδmin （14）式中Kδ=2.2～2.5，諧振變壓器的其它參數(shù)與普通電抗器的計算類似。
4.150kVA諧振試驗變壓器的設計
用上述計算公式對一臺電源電壓U1=0.22kV，輸出電壓U2=15kV，輸出功率P2=150kVA，且能對zui大計算電容為2μF的試品進行工頻高壓試驗的諧振變壓器進行設計。變壓器動鐵心柱及套裝在外面的一、二次繞組如圖5所示，其中主要參數(shù)的計算結(jié)果如下： D=12cm，動鐵心外接園直徑，D1=13.5cm，一次繞組內(nèi)徑，D2=18cm，二次繞組內(nèi)徑 ，D3=25.5cm，二次繞組外徑， H=37cm，繞組高度 ，N1=66匝，一次繞組匝數(shù) ，N2=4464匝，二次繞組匝數(shù)，諧振變壓器調(diào)諧電感參數(shù)的計算值與實測值如表1所示。（1）由表1可知，計算值與實測值zui大誤差不超過6%，說明上述計算公式具有較高精度，足以滿足工程計算的要求。（2）當試驗接近于試品的zui大電容計算值時，試品上的電壓可能超過按變壓比決定的數(shù)值，為了降低電壓諧振的效應，應使變壓器二次線圈的漏抗盡可能小，同時應在輸出回路加裝防過壓裝置。（3）因電壓與氣隙δ無關(guān)，因而應先在較低電壓下進行調(diào)諧，當諧振發(fā)生后，再將輸出電壓升高到試品的試驗值。（4）在氣隙調(diào)節(jié)過程中，變壓器的鐵心和機械傳動機構(gòu)受到很大的電磁力作用，造成較強的振動、噪聲，嚴重時會損壞諧振變壓器的部件。因此這種裝置的機械結(jié)構(gòu)應特殊設計。（未完待續(xù)）
