CN104360294A - 激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法及平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法及平台，属于叠片铁心材料磁性能测试领域。本发明包括调压器（1）、可编程变频器（2）、LC滤波器（5）、产品级变压器铁心叠片模型（6）以及功率分析仪（9）。由计算机控制可编程变频器输出所需要的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压经LC滤波后得到所需的任意电压波形，将滤波后的波形作为产品级变压器铁心叠片模型的激励电压进行试验。若要产生PWM激励条件，可将LC滤波模块去除后，直接由逆变器为叠片铁心模型供电。本发明可模拟变压器铁心的实际运行工况，产生可以人为控制的谐波、偏磁以及PWM等任意电压激励条件，可实现任意给定激励条件下叠片铁心磁场以及损耗特性的测量。

Description

激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法及平台

技术领域

本发明涉及一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法及平台,属于叠片铁心材料磁性能测试领域。

背景技术

随着输变电行业以及工业发展的需求，使得变压器的实际工作条件发生了变化。变压器的铁心并不总是工作在正弦电压激励条件下，常常工作在谐波、偏磁以及PWM等非正弦激励条件下。传统的硅钢片磁性能测试方法，如爱泼斯坦方圈法、单片测量法等，都是在规定的标准正弦激励条件下测得，其性能数据并不能真实地反映实际工作条件下变压器铁心叠片材料的真实性能。除此之外，爱泼斯坦方圈法在测试时，被测样片以双搭接方式连接，而实际变压器的铁心则采用步进搭接的方式连接。连接方式的差异也将造成标准测试方法测得的硅钢叠片的磁性能有别于实际变压器叠片铁心的真实特性。

发明内容

本发明目的是提供一种激励条件可控的叠片铁心磁性能试验方法及平台，基于产品级变压器铁心叠片模型，能够模拟变压器铁心的实际运行工况，产生可以人为控制的谐波、偏磁以及PWM等任意电压激励条件，可实现任意给定激励条件下叠片铁心磁场以及损耗特性的测量。

本发明技术方案是：

一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验平台，包括依次连接的调压器、可编程变频器、LC滤波器、产品级变压器铁心叠片模型和功率分析仪；可编程变频器包含整流模块和逆变模块，产品级变压器铁心叠片模型包含铁心模型励磁线圈和铁心模型测量线圈；调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，由计算机控制可编程变频器输出所需要的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压经LC滤波器后得到所需的任意电压波形（偏磁或谐波），将LC滤波器滤波后的波形作为产品级变压器铁心叠片模型的激励电压进行试验；若要产生PWM激励条件，将LC滤波器去除后，直接由可编程变频器为产品级变压器铁心叠片模型供电。

一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法，包含如下步骤：

①首先搭建试验平台，依次连接的调压器、可编程变频器、LC滤波器、产品级变压器铁心叠片模型和功率分析仪；可编程变频器包含整流模块和逆变模块，产品级变压器铁心叠片模型包含铁心模型励磁线圈和铁心模型测量线圈；

②由调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，该交流电压经过可编程变频器的整流模块后得到相应的直流电压；

③按照下面公式（1）在可编程变频器中设置好希望输出的任意电压波形U _out （V），由计算机控制可编程变频器的逆变模块输出与所设定的电压波形U _out （V）相对应的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压中除了含有希望输出的电压波形的谐波成分外，还含有较高的高次谐波，次谐波是指高于希望输出的电压波形的谐波；

公式（1）表示为：

式中： U _DC为直流电压；U ₁为基波电压幅值；k _n为谐波电压幅值占基波的百分比；n为谐波次数；为谐波相位；

④采用LC滤波器滤除可编程变频器输出中多余的高次谐波成分，即得到了希望输出的任意电压波形，将该电压波形作为产品级变压器铁心模型的励磁电压，加载到铁心模型励磁线圈；

⑤采用精密功率分析仪测量铁心模型测量线圈的感应电压E（V），测量铁心模型励磁线圈（初级线圈）的励磁电流I（A）以及铁心损耗；

⑥将测得的感应电压E（V）和励磁电流I（A）代入下面计算公式（2）与（3），得到铁心叠片模型的磁通密度B（T）与磁场强度H（A/m）；

公式（2）与（3）表示为：

中：N为测量线圈匝数；S为铁心截面积；L为铁心等效磁路长度；

⑦调整交流供电电压幅值，重复步骤②③④⑤⑥，得到不同磁密幅值作用下叠片铁心的比损耗曲线。

本发明模拟变压器铁心的多种实际运行工况，测量产品级变压器叠片铁心磁性能，采用可编程变频器配合LC滤波器产生可以人为控制的谐波、偏磁以及PWM等任意电压激励条件为变压器叠片铁心模型供电，可实现任意给定激励条件下叠片铁心磁场以及损耗特性的测量。

本发明的积极效果：本发明可模拟变压器铁心的实际运行工况，测试方法简单，能够产生可以人为控制的谐波、偏磁以及PWM等任意电压激励条件，可实现任意给定激励条件下叠片铁心磁场以及损耗特性的测量，对研究变压器叠片铁心在非正弦激励条件下特性的变化具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例的实验线路图；

图2为本发明实施例三级步进的产品级变压器铁心叠片模型结构示意图；

图3为本发明实施例输出的任意电压波形（50Hz正弦叠加50%的五次谐波电压）；

图4为本发明实施例磁通密度 B 的测量结果；

图5为本发明实施例磁场强度 H 的测量结果；

图6为本发明实施例50Hz正弦叠加50%的五次谐波电压激励条件下铁心模型损耗曲线测试结果；

图7为图2的局部放大图；

图中：调压器1、可编程变频器2、整流模块3、逆变模块4、LC滤波器5、产品级变压器铁心叠片模型6、铁心模型励磁线圈7、铁心模型测量线圈8、功率分析仪9。

具体实施方式

以下通过实施例，对本发明作进一步说明。

一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验平台，包括依次连接的调压器1、可编程变频器2、LC滤波器5、产品级变压器铁心叠片模型6和功率分析仪9；可编程变频器2包含整流模块3和逆变模块4，产品级变压器铁心叠片模型6包含铁心模型励磁线圈7和铁心模型测量线圈8；调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，由计算机控制可编程变频器输出所需要的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压经LC滤波器后得到所需的任意电压波形（偏磁或谐波），将LC滤波器滤波后的波形作为产品级变压器铁心叠片模型的激励电压进行试验；若要产生PWM激励条件，将LC滤波器去除后，直接由可编程变频器为产品级变压器铁心叠片模型供电。

一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法，包含如下步骤：

①首先搭建试验平台，依次连接的调压器1、可编程变频器2、LC滤波器5、产品级变压器铁心叠片模型6和功率分析仪9；可编程变频器2包含整流模块3和逆变模块4，产品级变压器铁心叠片模型6包含铁心模型励磁线圈7和铁心模型测量线圈8；

②由调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，该交流电压经过可编程变频器的整流模块3后得到相应的直流电压；

③按照下面公式（1）在可编程变频器中设置好希望输出的任意电压波形U _out （V），由计算机控制可编程变频器的逆变模块输出与所设定的电压波形U _out （V）相对应的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压中除了含有希望输出的电压波形的谐波成分外，还含有较高的高次谐波，次谐波是指高于希望输出的电压波形的谐波；

公式（1）表示为：

式中： U _DC为直流电压；U ₁为基波电压幅值；k _n为谐波电压幅值占基波的百分比；n为谐波次数；为谐波相位；

④采用LC滤波器5滤除可编程变频器输出中多余的高次谐波成分，即得到了希望输出的任意电压波形，将该电压波形作为产品级变压器铁心模型的励磁电压，加载到铁心模型励磁线圈7；

⑤采用精密功率分析仪9测量铁心模型测量线圈8的感应电压E（V），测量铁心模型励磁线圈（初级线圈）的励磁电流I（A）以及铁心损耗；

⑥将测得的感应电压E（V）和励磁电流I（A）代入下面计算公式（2）与（3），得到铁心叠片模型的磁通密度B（T）与磁场强度H（A/m）；

公式（2）与（3）表示为：

式中：N为测量线圈匝数；S为铁心截面积；L为铁心等效磁路长度；

⑦调整交流供电电压幅值，重复步骤②③④⑤⑥，得到不同磁密幅值作用下叠片铁心的比损耗曲线。

本发明实施例中，输出基波频率为50Hz，正弦叠加50%五次谐波的电压激励，以一种三级步进搭接的变压器铁心模型为例，测量了对应电压激励条件下叠片铁心的磁性能。按照公式（1）在可编程控制器中设置需要输出的电压波形。在本实施例中，各次谐波相位均为0，U _DC=0， k ₁=100%，k ₅=50%，设置的输出电压为：

该电压经过可编程逆变器2以及LC滤波器5后输出给3级步进搭接的变压器叠片铁心模型（参考附图2），输出波形参见附图3所示。

附图2和附图7中，三级步进搭接的变压器铁心模型为内外两个正方形构成的回字形结构，外正方形的边长为420mm，外正方形与内正方形之间的宽度为110mm；内正方形的边长为200mm；在外正方形与内正方形之间的铁心上设置三层铁心模型励磁线圈7和两层铁心模型测量线圈8，相邻两层铁心模型励磁线圈7之间设有一层铁心模型测量线圈8。

叠片铁心模型的磁通密度B（T）与磁场强度H（A/m）可分别由功率分析仪采集到的感应电压E（V）和励磁电流I（A）分别按照公式（2）与（3）计算得到，计算结果参见附图4与附图5。调整交流供电电压幅值，重复步骤②③④⑤⑥，得到不同磁密幅值作用下叠片铁心的比损耗曲线，测量结果见附图6。

Claims (2)

1.一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验平台，其特征在于：包括依次连接的调压器（1）、可编程变频器（2）、LC滤波器（5）、产品级变压器铁心叠片模型（6）和功率分析仪（9）；可编程变频器（2）包含整流模块（3）和逆变模块（4），产品级变压器铁心叠片模型（6）包含铁心模型励磁线圈（7）和铁心模型测量线圈（8）；调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，由计算机控制可编程变频器输出所需要的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压经LC滤波器后得到所需的任意电压波形，将LC滤波器滤波后的波形作为产品级变压器铁心叠片模型的激励电压进行试验；若要产生PWM激励条件，将LC滤波器去除后，直接由可编程变频器为产品级变压器铁心叠片模型供电。

2.一种激励条件可控的变压器叠片铁心磁性能试验方法，其特征在于包含如下步骤：

①首先搭建试验平台，依次连接的调压器（1）、可编程变频器（2）、LC滤波器（5）、产品级变压器铁心叠片模型（6）和功率分析仪（9）；可编程变频器（2）包含整流模块（3）和逆变模块（4），产品级变压器铁心叠片模型（6）包含铁心模型励磁线圈（7）和铁心模型测量线圈（8）；

②由调压器为可编程变频器的输入端口提供交流供电电压，该交流电压经过可编程变频器的整流模块（3）后得到相应的直流电压；

③按照下面公式（1）在可编程变频器中设置好希望输出的任意电压波形U _out （V），由计算机控制可编程变频器的逆变模块输出与所设定的电压波形U _out （V）相对应的等幅不等宽的脉冲电压，该脉冲电压中除了含有希望输出的电压波形的谐波成分外，还含有较高的高次谐波，次谐波是指高于希望输出的电压波形的谐波；

公式（1）表示为：

式中： U _DC为直流电压；U ₁为基波电压幅值；k _n为谐波电压幅值占基波的百分比；n为谐波次数；为谐波相位；

④采用LC滤波器（5）滤除可编程变频器输出中多余的高次谐波成分，即得到了希望输出的任意电压波形，将该电压波形作为产品级变压器铁心模型的励磁电压，加载到铁心模型励磁线圈（7）；

⑤采用精密功率分析仪（9）测量铁心模型测量线圈（8）的感应电压E（V），测量铁心模型励磁线圈（初级线圈）的励磁电流I（A）以及铁心损耗；

⑥将测得的感应电压E（V）和励磁电流I（A）代入下面计算公式（2）与（3），得到铁心叠片模型的磁通密度B（T）与磁场强度H（A/m）；

公式（2）与（3）表示为：

式中：N为测量线圈匝数；S为铁心截面积；L为铁心等效磁路长度；

⑦调整交流供电电压幅值，重复步骤②③④⑤⑥，得到不同磁密幅值作用下叠片铁心的比损耗曲线。