CN101833059A - 工频谐振变压器 - Google Patents

Abstract

本发明在工频下、在无机械调节机构条件下实现谐振的变压器，所采用的技术方案如下：包括可励磁变压器，与之相连的整流器，隔离变压器以及控制器，所述隔离变压器使可励磁变压器与控制器实现高电位隔离，所述控制器通过检测隔离变压器原边及副边上的采集电流及整流器的输出电流后通过直流偏磁调节所述可励磁变压器交流励磁阻抗与试品阻抗形成谐振。本发明一方面在工频下谐振，输出的是工频试验电压，与被试设备的工作频率一致，能有效地检查出被试设备的绝缘缺陷；另一方面具有无运动部件、噪声低、免维护的优点；再一方面无需大容量的变频电源，实现低成本、低故障率。

Description

工频谐振变压器

技术领域

本发明属于高电压试验领域，涉及一种为大电容电力设备进行工频耐压试验的工频谐振变压器。

背景技术

高压电力设备在出厂试验以及现场安装完毕进行验收试验时，都要进行工频耐压试验以验证其绝缘是否可靠。由于试验电压很高，对于对地电容较大的电力设备，如电力电容器、电缆、SF6组合电器等其试验电流将很大，从而需要的试验电源容量也很大，这使得采用普通试验变压器不能满足要求，特别是在设备的安装现场进行试验时问题更加突出。

由于进行工频耐压试验时，被试设备相当于一个电容型负荷，理论上可以通过串联或并联一个可调电感元件，通过调节电感值，使电源频率下电感元件的电抗值与被试设备等效电容的容抗值相等，形成一个串联或并联谐振。试验电路发生谐振后，被试设备试验时所需的容性无功功率完全由所串联或并联的电感产生的感性无功功率抵消，此时电源只需提供很小的有功功率，达到用很小的电源容量产生很大的试验容量的目的。这种通过调节电感形成串联或并联谐振的试验装置，习惯上也称为谐振变压器。

谐振变压器的关键技术在于电感感抗的连续可调。

图1是现有技术串联谐振变压器原理图，D为调压器；T1为升压变压器；L为可调电感器。图中，试品C两端的电压为：

式中：Ro——回路总的直流电阻

      ω——电源角频率

当调节电感值L或频率ω使得

时，电路进入串联谐振状态，此时试品两端电压为：

$\mathrm{Uc}=\frac{\mathrm{Uo}}{\mathrm{Ro}}\×\frac{1}{-\mathrm{j\ωC}}$

由于

因此Uc＞＞Uo，所以串联谐振变压器可以用很小的电源电压产生很高的试验电压。

图2是现有技术并联谐振变压器原理图，D为调压器；T1为升压变压器；L为可调电感器。图中，试品两端电压为升压变输出电压。

可调电感器与试品的并联阻抗为：

$\mathrm{Zo}=\frac{(\mathrm{Ro}+\mathrm{j\ωL})\×\left(\frac{1}{-\mathrm{j\ωC}}\right)}{\mathrm{Ro}+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})}$

当调节电感L或频率ω使

时，电路进入并联谐振状态，此时阻抗：

$\mathrm{Zo}=\frac{(\mathrm{Ro}+\mathrm{j\ωL})\×\left(\frac{1}{-\mathrm{j\ωC}}\right)}{\mathrm{Ro}}$

式中Ro为电抗器的直流电阻，由于ωL＞＞Ro及

所以Zo非常大，这样流入升压变的电流

就很小。

从图1、图2的原理看，要实现谐振，要么调节电感L，要么调节频率ω。这就形成了两种现有技术的谐振变压器，一种是通过机械调感的工频谐振变压器，通过机械手段调节铁心气隙实现电抗值的连续可调，另一种是通过调节频率的变频谐振变压器，先使电抗器有级粗调节，再变频调节电源频率，使某个频率下电抗器的电抗值与被试设备电容的容抗值相等发生谐振。

对于机械调节气隙的谐振变压器，由于电抗器工作时铁心的电动力很大，尤其是在容量很大的情况下，因此机械调感的谐振变压器存在噪音大、机械寿命不可靠的缺点。对于变频方式的谐振变压器，虽然去除了机械运动部件，但由于试验电源频率偏离被试设备实际的工作频率，其等效性将会受到影响，而且大功率变频电源的造价也会使谐振变压器的总成本大大提高。

解决上述存在问题的困难在于能否在静态及工频下实现电感的连续、精确可调。到目前为止，谐振变压器的改进主要还是在机械调感的基础上如何通过精加工以及采用更好机械调节机构来降低噪声及提高寿命，而变频调谐是实现静态调谐的一个重大改进措施，但其带来的不良影响是试验频率偏离工频，使试验的等效性变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是使谐振变压器无需变频调谐，也无需机械调感，保证谐振变压器在工频下、在无机械调节机构条件下实现谐振。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种工频谐振变压器，该工频谐振变压器连接电源与被测试品，其特征在于：包括可励磁变压器，与之相连的整流器，隔离变压器以及控制器，所述隔离变压器使可励磁变压器与控制器实现高电位隔离，所述控制器通过检测隔离变压器原边及副边上的采集电流及整流器的输出电流后通过直流偏磁调节所述可励磁变压器交流励磁阻抗与试品阻抗形成谐振。

当本发明为独立励磁绕组的谐振变压器时，所述可励磁变压器包括两台变压器，两台变压器的输入及输出交流绕组分别并联，直流励磁绕组反相串联，反相串联后的直流绕组输出的交流电压为零。

当本发明为在交流绕组上励磁的谐振变压器时，所述可励磁变压器包括两台变压器，两台变压器的交流输入绕组并联，交流输出绕组由4个线圈交叉串联后再并联组成，在交叉连接的两点上交流电压差为零；每变压器的直流励磁绕组和交流电抗绕组公用一个绕组。

当然，也可以是所述可励磁变压器包括调压器及电感元件，所述调压器通过隔离变压器接所述电感元件，所述电感元件中直流励磁绕组和交流电抗绕组公用一个绕组。

进一步地，所述隔离变压器的原边及副边上分别连接有电流互感器。

进一步地，所述电感元件包括带有旁轭的四柱铁心，所述四柱铁心中间两柱铁心柱上分别缠绕两个线圈，所述的四个线圈交叉串联再并联后输出。

进一步地，所述电感元件包括两个独立的铁心，每个铁心柱上分别缠绕两个线圈，所述的四个线圈交叉串联再并联后输出。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

本发明一方面在工频下谐振，输出的是工频试验电压，与被试设备的工作频率一致，能有效地检查出被试设备的绝缘缺陷；另一方面具有无运动部件、噪声低、免维护的优点；再一方面无需大容量的变频电源，实现低成本、低故障率。

本发明与机械调节谐振变压器比具有静态谐振、噪音低、结构简单、重量轻、免维护、寿命长的优点。与变频调谐谐振变压器比有工频下谐振，试验效果好、控制方便、成套紧凑性好的优势。

附图说明

图1为现有技术串联谐振变压器原理图；

图2为现有技术并联谐振变压器原理图；

图3-1为变压器在忽略损耗时的等值电路图；

图3-2为本发明的工作原理图；

图4为本发明实施例一独立励磁绕组的谐振变压器；

图5为本发明实施例二在交流绕组上励磁的谐振变压器；

图6为本发明实施例三串联谐振变压器电路原理图；

图7为本发明实施例三并联谐振变压器电路原理图；

图8为本发明实施例三具有两独立铁心的电感元件内部结构图；

图9为本发明实施例三具有带旁轭四柱铁心的电感元件内部结构图；

图10为本发明实施例三所述电感元件电路原理图；

图11为图9所述电感元件磁路原理图；

具体实施方式

本发明工作原理如下：谐振变压器的工作负荷是容性负荷，其实质是对容性负荷的无功补偿。本发明是通过一台铁心可励磁的升压变压器来实施。升压变压器提供所需的试验电压，铁心励磁产生感性无功电流，当通过自动控制装置使励磁电流与试品的容性电流相等时，感性励磁电流与试品容性电流互相抵消，即变压器发出的感性无功与试品的容性无功平衡，此时变压器工作在谐振状态，电源提供的功率只有有功功率。变压器的感性励磁电流是通过对变压器铁心施加直流偏磁产生的，铁心无直流偏磁时，变压器相当于普通变压器，此时负荷的容性试验电流通过变压器流入电源，当对铁心施加直流偏磁电流时，变压器产生与直流电流成正比的感性励磁电流，则流入电源的电流为该励磁电流与负荷电流的差值，如果通过控制器使励磁电流与负荷电流相等，则流入电源的无功电流为零。

通过上述技术方案的实施，本发明的谐振变压器就可以在工频、静态下发生谐振。

本发明的设计思路如下：图3-1是变压器在忽略损耗时的等值电路图，由于变压器铁心的磁导率很高，一般变压器的励磁阻抗Xm都非常大(Xm等于额定电压除以空载电流)，所以输入功率基本上等于输出功率。由于试验变压器的特殊性，其带的负荷是容性无功负荷，如果通过对铁心进行直流偏磁，使变压器铁心的磁导率下降，则其等效励磁阻抗将会下降，变压器的励磁电流Im增加，由于Im为感性电流方向与试品的容性电流Ic相反，电源电流Io＝Ic-Im就可以下降。图3-2是根据这个思路设计的本发明的工作原理图，当通过适当的控制在工频下使变压器励磁电流Im与试品的电流Ic相等时，Io＝Ic-Im＝0(忽略损耗时)。此时变压器的励磁阻抗Xm与试品的容抗Xc形成并联谐振。本发明的工作原理与现有技术的并联谐振变压器类似，只是本发明中将升压变压器与可调电抗器合并到一起，且电感的调节是通过磁控来实现。

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

实施例一，为了实现铁心的交直流混合磁化，本发明的谐振变压器包括两台相同的可励磁变压器T1，与之相连的整流器Z，隔离变压器T2以及控制器，所述隔离变压器T2使可励磁变压器T1与控制器实现高电位隔离，所述控制器通过检测隔离变压器T2原边及副边上的采集电流及整流器的输出电流后通过直流偏磁调节所述可励磁变压器交流励磁阻抗与试品阻抗形成谐振。本实施例采集电流通过电流互感器CT实现。

图4是励磁绕组独立的谐振变压器实施原理图，两台变压器T1的输入及输出交流绕组分别并联，直流励磁绕组反相串联，反相串联后的直流绕组输出的交流电压为零，这样变压器施加的交流电压不影响直流绕组中外施直流电流的控制输入。输入直流电流大小的不同，导致变压器铁心饱和度的不同，铁心磁导率亦不同，从而达到控制调节变压器励磁阻抗的目的。本发明是通过检测输出电流与输入电流来控制谐振变压器达到谐振的，由于变压器所带的负荷为容性负荷，当检测到输入电流与输出电流同相时，此时说明电源电流为容性电流，即变压器产生的励磁电流不足以补偿负荷电流，通过增加直流励磁电流以产生更大的交流励磁电流直到电源电流为纯阻性电流，就可以使谐振变压器保持工作在谐振状态。

实施例二，图5是在交流绕组上叠加直流励磁电流的谐振变压器实施方案。该方案同样是由可励磁变压器T1组成，交流电源绕组并联(也可串联)，交流输出绕组由4个线圈交叉串联后再并联组成(交叉串并联绕组也可以设在电源侧)，在交叉连接的两点上交流电压差为零，从这两点注入直流励磁电流就可以控制两台变压器铁心的饱和度，从而达到调节交流励磁电流的目的。图5形式的谐振变压器与图4形式的谐振变压器的控制方式都是一致的，此不赘述。

实施例三，本实施例工频谐振变压器，一端连接电源，另一端连被测试品，参照图6及图7，其包括调压器D，隔离变压器T1，电感元件L，整流器Z，变压器T2，控制器及电流互感器1，其中，隔离变压器T1的原边及副边分别串联有电流互感器1，调压器D通过隔离变压器T1接所述电感元件L，所述控制器通过检测隔离变压器T1原边及副边上的采集电流后进而通过变压器T2与整流器Z调节所述电感元件L的电感值，所述电感元件L连接被测试品C，所述电感元件L中直流励磁绕组和交流电抗绕组公用一个绕组。

本实施例电感元件L一方面接整流器Z的输入端，所述整流器Z的输出端通过变压器T2接控制器，其结构如图9所示，包括带有旁轭的四柱铁心，所述四柱铁心中间两柱铁心柱上分别缠绕两个线圈，两个线圈2，所述四个线圈2交叉串联再并联后接所述输出端D1、D2。这种连接方式使两个交叉连接点D1、D2、之间交流电压差为零，从而方便从该两点注入直流电流，使直流电路不承受交流电压，同时交流电路进、出接线端A、X间也不承受直流电压，直流励磁电流可以方便地使铁心直流励化改变磁导率从而改变交流电感。

当然，电感元件也可采用其他结构，参照图8，图8为具有两独立铁心的电感元件内部结构图，包括两个独立的铁心，每个铁心柱上分别缠绕两个线圈，所述的四个线圈交叉串联再并联后输出。

原理如下：通过对电感元件中的铁心进行直流偏磁使铁心饱和，改变铁心的磁导率，从而改变铁心的电感，在工频下调节电抗器的感抗使之与被试设备的容抗相等，形成电抗电容的串(并)联谐振，从而在试品两端产生所需的高电压。

图11为图9所述电感元件磁路原理图，直流磁通φ2及交流磁通φ1如图所示，在本发明中特别使用了局部磁饱和技术，大大降低了磁控电抗器的损耗、噪声及谐波含量，即保证铁心中有若干小段区域的铁心截面积小于铁心主体的截面积，在交直流电流(即图8中虚线框中的交流偏磁区4)共同作用下，只有小截面区域的铁心产生饱和即局部饱和区5，产生类似普通铁心电抗器的“气隙”作用，调节直流励磁安匝数的不同，该“气隙”的大小也不同，从而使电抗值可以方便调节，其关系如下：交流电流越大，安匝数越大，需要的等效气隙长度越长，电抗值越小，当整个铁心都工作在高磁感强度下饱和时，由于磁感大，磁控电抗器的损耗、噪声节谐波含量也较大。

为实现铁心中有若干小段区域的铁心截面积小于铁心主体的截面积，本实施例在铁心上对称开有若干缺口1-1。当然也可通过对铁心局部冲孔，或选铁心时一边连续另一边有若干处不相连实现。进一步地，为了降低噪音，铁心与所述线圈之间浇注有环氧树脂。

一般高压设备的绝缘缺陷是通过施加高于设备的工频试验电压进行检查，如有绝缘缺陷则发生击穿，将本实施例应用于产生高电压的试验设备，应用例一如下：

参照图6，图6为串联谐振变压器电路原理图。本发明电抗器中电感元件的进线接线端A接变压器T1副边的一个接线端，另一接线端一方面接地，另一方面接控制器的第一输入端。调压器D可滑动部接变压器T1原边的一个接线端，另一个接线端接控制器的第二输入端。控制器接电抗器中的隔离变压器。电抗器的出线接线端接试品。

其中，调压器D用来缓慢升高输出的试验电压，整流器Z用来产生直流电流给铁心磁化，隔离变压器T2使控制器与电感元件实现高电位隔离，控制器自动检测电源电流及试品C电流后，给出一个最佳的直流控制电流值。

通过调节直流励磁电流使电抗器交流端即进、出线接线端A、X在工频下的电抗值等于试品C容抗值时，电路发生串联谐振，此时只需调压器D输出很小的电压就可以使试品C流过较大的电流，从而在试品C两端产生很高的试验电压。

本实施例应用于产生高电压的试验设备，应用例二如下：

参照图7，图7为并联谐振变压器电路原理图。本发明电抗器的进线接线端A一方面接变压器T1副边的一个接线端，另一方面接试品C；出线接线端X一方面接变压器T1副边的另一个接线端，另一方面接控制器的第一输入端。调压器D可滑动部接变压器T1原边的一个接线端，另一个接线端接控制器的第二输入端。控制器接电抗器中的隔离变压器T2。

控制器通过检测流过电容器(试品)的电流及电源的电流，当电源电流为容性时，调节整流器D输出的直流电流使铁心加深饱和度，铁心产生感性无功电流使电源电流减小，当感性无功电流与电容电流相等时，产生并联谐振，电源电流最小，控制器最终将电源电流控制在最小值，从而降低电源的容量，控制器输入的是两个交流电流信号，输出的是交流控制电压。当通过调节直流励磁电流使电抗器交流端A、X在工频下的电抗值等于试品容抗值时，电路发生并联谐振，此时流过电抗器和流过试品的电流大小相等方向相反，因此流过隔离变压器的电流只有很小的有功电流，达到很小的电源容量做很大的试品容量试验的目的。

现有电感元件机械调感存在噪声大、机械寿命短，以及调频调感时等效性差，成本高的不足，采用局部饱和技术后，饱和部分的铁心只占整个铁心的十分之一左右。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种工频谐振变压器，该工频谐振变压器连接电源与被测试品，其特征在于：包括可励磁变压器，与之相连的整流器，隔离变压器以及控制器，所述隔离变压器使可励磁变压器与控制器实现高电位隔离，所述控制器通过检测隔离变压器原边及副边上的采集电流及整流器的输出电流后通过直流偏磁调节所述可励磁变压器交流励磁阻抗与试品阻抗形成谐振。

2.根据权利要求1所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述可励磁变压器包括两台变压器，两台变压器的输入及输出交流绕组分别并联，直流励磁绕组反相串联，反相串联后的直流绕组输出的交流电压为零。

3.根据权利要求1所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述可励磁变压器包括两台变压器，两台变压器的交流输入绕组并联，交流输出绕组由4个线圈交叉串联后再并联组成，在交叉连接的两点上交流电压差为零；每变压器的直流励磁绕组和交流电抗绕组公用一个绕组。

4.根据权利要求1所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述可励磁变压器包括调压器及电感元件，所述调压器通过隔离变压器接所述电感元件，所述电感元件中直流励磁绕组和交流电抗绕组公用一个绕组。

5.根据权利要求4所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述隔离变压器的原边及副边上分别连接有电流互感器。

6.根据权利要求4或5所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述电感元件包括带有旁轭的四柱铁心，所述四柱铁心中间两柱铁心柱上分别缠绕两个线圈，所述的四个线圈交叉串联再并联后输出。

7.根据权利要求4或5所述的工频谐振变压器，其特征在于：所述电感元件包括两个独立的铁心，每个铁心柱上分别缠绕两个线圈，所述的四个线圈交叉串联再并联后输出。

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