CN112285431B - 立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置及其方法。本发明包括三相交流电源、被测单框铁心和中间变压器，所述中间变压器包括一个或者一个以上的铁心，每个所述铁心均具有铁心柱和单框铁轭；每个铁心还包括三组励磁绕组和一组输出绕组，所述三组励磁绕组分别缠绕在对应铁心的铁心柱上，所述输出绕组缠绕在对应铁心的单框铁轭上，三相交流电源的三个电源接口分别与三组励磁绕组连接，输出绕组与被测单框铁心的单框励磁绕组连接，被测单框铁心上还连有用于测量被测单框铁心损耗的功率表。本发明能够实现立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的精确测量。

Description

立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置及其方法。
背景技术
立体卷铁心变压器的铁心由三个铁心单框组合而成，每两个铁心单框的边柱组成变压器中一相的铁心柱，由于三个铁心单框的磁路相互独立，且结构尺寸相同，设计铁心时只需计算单框损耗，研发时也只需加工测试单框，所以，测量铁心单框的损耗是铁心设计和测量硅钢片服役性能的重要依据。
变压器空载试验测量的立体卷铁心损耗是三个铁心单框的总损耗，一般是通过在励磁绕组上加载正弦电压进行测量，虽然在做变压器空载试验时，在铁心柱的励磁绕组上加载正弦电压，使铁心柱的合成磁通为正弦磁通，但是每个铁心单框内的磁通波形因为铁心用硅钢片的非线性磁化特性，是非正弦波形。因此，在测量单个铁心单框的损耗时，需要根据立体卷铁心的磁化特性，加载适合测量单框损耗的非正弦电压，而普通的三相交流电源无法为铁心单框励磁，普通试验站的交流电源，无法对被测铁心单框加载正确的非正弦电压，因此，三个铁心单框损耗测量结果的代数和与这三个铁心框组成的立体卷铁心损耗差别较大，无法精确测量单框铁心的损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置及其方法，能够实现立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的精确测量。
为实现上述目的，本发明所设计的一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置，包括三相交流电源、被测单框铁心，所述被测单框铁心的单框铁轭上缠绕有单框励磁绕组；它还包括中间变压器，所述中间变压器包括一个或者一个以上的铁心，每个所述铁心由三个互成60°结构尺寸相同的单框铁心围合组成立体卷铁心结构，每个所述铁心均具有铁心柱和单框铁轭；每个铁心还包括三组励磁绕组和一组输出绕组，所述三组励磁绕组分别缠绕在对应铁心的铁心柱上，所述输出绕组缠绕在对应铁心的单框铁轭上，所述三组励磁绕组分别为A相励磁绕组、B相励磁绕组和C相励磁绕组，所述一组输出绕组为D输出绕组；所述三相交流电源的三个电源接口分别与A相励磁绕组、B相励磁绕组和C相励磁绕组连接，所述D输出绕组输出电压作为被测单框铁心的励磁电压加载到被测单框铁心的单框励磁绕组上，被测单框铁心上还连有用于测量被测单框铁心损耗的功率表。
作为优选方案，所述中间变压器包括两个铁心，两个铁心分别为第一铁心和第二铁心，所述第一铁心的铁心柱上缠绕有a1相励磁绕组、b1相励磁绕组、c1相励磁绕组以及缠绕在单框铁轭上的d1输出绕组；同样地，所述第二铁心的铁心柱上缠绕有a2相励磁绕组、b2相励磁绕组、c2相励磁绕组以及缠绕在单框铁轭上的d2输出绕组；所述a1相励磁绕组和a2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接，所述b1相励磁绕组和b2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接，所述c1相励磁绕组和c2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接；所述d1输出绕组和d2输出绕组串联连接后与单框励磁绕组连接。
作为优选方案，所述第一铁心单框铁心的截面面积与第二铁心单框铁心的截面面积的比值为5～10:1。
一种测量立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的方法，包括步骤：
(1)、对被测单框铁心加载所需的非正弦励磁电压波形：
根据被测单框铁心所在立体卷铁心变压器的额定磁通密度B0，用公式(1)计算得到中间变压器的输入电压U1，然后将三相交流电源的输出电压调整为U1；
U1＝4.44fN1B0S1(公式1)
式中，f为电源频率，Hz；N1为中间变压器中某一个铁心的励磁绕组匝数；S1为该铁心的心柱截面积，m2；
(2)、调整中间变压器的输出绕组匝数，将中间变压器的输出电压幅值调整到被测单框铁心所需电压幅值：
中间变压器的输出绕组匝数满足：中间变压器中各铁心的输出绕组匝数乘以中间变压器的各铁心中单框铁心的截面积的数值，等于被测单框铁心的单框励磁绕组匝数乘以被测单框铁心的截面积的数值；
(3)、通过功率表测出被测单框铁心的损耗。
作为优选方案，所述中间变压器包括两个铁心，两个铁心分别为第一铁心和第二铁心，所述第一铁心的铁心柱上缠绕有a1相励磁绕组、b1相励磁绕组、c1相励磁绕组以及缠绕在单框铁轭上的d1输出绕组；同样地，所述第二铁心的铁心柱上缠绕有a2相励磁绕组、b2相励磁绕组、c2相励磁绕组以及缠绕在单框铁轭上的d2输出绕组；所述a1相励磁绕组和a2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接，所述b1相励磁绕组和b2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接，所述c1相励磁绕组和c2相励磁绕组并联连接后与三相交流电源连接；所述d1输出绕组和d2输出绕组串联连接后与单框励磁绕组连接；所述第一铁心单框铁心的截面面积与第二铁心单框铁心的截面面积的比为5～10:1；所述步骤(2)具体为，调整d1输出绕组和d2输出绕组的匝数使其满足公式(5)：
N2S2+N3S3＝N4S4公式(5)
式中，N2为d1输出绕组的匝数；
S2为第一铁心的单框铁心的截面积，m2；
N3为d2输出绕组的匝数；
S3为第二铁心的单框铁心的截面积，m2；
N4为被测单框铁心的单框励磁绕组的匝数；
S4为被测单框铁心的截面积，m2。
作为优选方案，所述调整d1输出绕组和d2输出绕组的匝数具体操作为，先调整N2使N4S4-N2S2≤S2，再调整N3满足式(5)。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过中间变压器发生被测单框所需的非正弦电压波形作为励磁波形，然后调整中间变压器输出绕组的匝数，将中间变压器输出电压幅值调整到被测单框所需电压幅值；由此加载到被测单框的电压波形和电压幅值均达到需要值，能够准确地测量被测单框的损耗。
(2)本发明的最大的发明点之一在于中间变压器的绕组的缠绕和连接方式，在中间变压器的心柱上缠绕励磁绕组，在中间变压器的单框轭上缠绕输出绕组，由输出绕组输出的非正弦电压波形作为被测单框所需的励磁波形，然后将二次绕组与被测单框的励磁绕组连接，对被测单框加载所需的非正弦励磁波形。
(3)本发明的中间变压器由第一立体卷铁心和第二立体卷铁心组成，第一立体卷铁心实现电压幅值的粗调，第二立体卷铁心实现电压幅值的细调。
附图说明
图1为实施例1中立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置的连接示意图；
图2为图1的电路原理图；
图3为三相交流电源的输出波形图；
图4为被测单框铁心的励磁电压波形图；
图中各部件标号如下：三相交流电源10、被测单框铁心20、单框励磁绕组21、中间变压器30、第一铁心31、第二铁心32、a1相励磁绕组31.1、b1相励磁绕组31.2、c1相励磁绕组31.3、d1输出绕组31.4、a2相励磁绕组32.1、b2相励磁绕组32.2、c2相励磁绕组32.3、d2输出绕组32.4、功率表40。
具体实施方式
为更好地理解本发明，以下将结合具体实例对发明进行详细的说明。
实施例1
结合图1和图2所示，一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置，包括中间变压器30和三相交流电源10；中间变压器30包括第一铁心31、第二铁心32、缠绕在第一铁心31的铁心柱上的励磁绕组、缠绕在第二铁心32铁心柱上的励磁绕组、缠绕在第一铁心31单框铁轭上的输出绕组以及缠绕在第二铁心32单框铁轭上的输出绕组。
第一铁心31由三个互成60°的结构尺寸相同的单框铁心围合组成立体卷铁心结构，同样地，第二铁心32由三个互成60°的结构尺寸相同的单框铁心围合组成立体卷铁心结构，第一铁心31的单框铁心和第二铁心32的单框铁心的大小不同，具体为，第一铁心31的单框铁心截面面积为0.0069m2，第二铁心32的单框铁心截面面积为0.0013m2；第一铁心31的实现输出电压的粗调，第二铁心32实现输出电压的细调，粗调和细调结合使输出电压达到所需的数值。
第一铁心31的铁心柱上缠绕的励磁绕组分别为a1相励磁绕组31.1、b1相励磁绕组31.2、c1相励磁绕组31.3，同样地，第二铁心32的铁心柱上缠绕的励磁绕组分别为a2相励磁绕组32.1、b2相励磁绕组32.2、c2相励磁绕组32.3，a1相励磁绕组31.1和a2相励磁绕组32.1并联连接后与三相交流电源10连接，b1相励磁绕组31.2和b2相励磁绕组32.2并联连接后与三相交流电源10连接，c1相励磁绕组31.3和c2相励磁绕组32.3并联连接后与三相交流电源10连接。
第一铁心31的单框铁轭上缠绕有d1输出绕组31.4，同样地，第二铁心32的单框铁轭上缠绕有d2输出绕组32.4，d1输出绕组31.4与d2输出绕组32.4串联连接组成中间变压器30的输出绕组，中间变压器30的输出绕组上的电压作为被测单框铁心20的励磁电压加载到被测单框铁心20的单框励磁绕组21上，被测单框铁心20上还连有用于测量单框铁心20损耗的功率表40。
实施例2
一般组装立体卷铁心变压器前，为降低组装后变压器空载损耗不合格的风险，需对立体卷铁心变压器的三个单框铁心进行损耗测试，每个单框铁心都符合要求后再进行组装工序，被测单框铁心所在的立体卷铁心变压器合成磁通为正弦磁通，但是每个被测单框铁心内的磁通波形因为铁心用硅钢片的非线性磁化特性，是非正弦波形，因此如何向被测单框铁心加载正确的非正弦电压是准确测量单框铁心损耗的关键。本发明从发生符合立体卷铁心的单框铁心励磁条件的励磁电压波形入手，采用立体卷铁心在磁化过程中单框铁心感应电动势与单框铁心励磁电动势存在波形一致的理论作为基础，利用中间变压器，发生测量单框铁心损耗所需的非正弦电压波形作为励磁电压波形，通过调整中间变压器的单框绕组的匝数，实现被测单框铁心的铁心损耗测量，具体的测量方法如下：
基于上述测量装置，本实施例的立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量方法，包括步骤：
(1)对被测单框铁心20加载所需的非正弦励磁电压波形，其中所需的非正弦励磁电压波形为被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器在额定磁通密度B0下单框铁心上的感应电动势波形：
根据被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器的额定磁通密度B0，用公式(1)计算得到中间变压器30的输入电压U1，然后将三相交流电源(10)的输出电压调整为U1；
U1＝4.44fN1B0S1(公式1)
式中，f为电源频率，Hz；N1为第一铁心31的励磁绕组匝数；S1为第一铁心31单框铁心的截面积，m2；
本实施例中，f为50Hz，N1为30，B0为1.638T，S1为0.0138m2，计算得到U1为150.5V。
结合图1和图2所示，用普通三相交流电源10作为中间变压器30的输入电源，调整三相交流电源10的电压到150.5V即使中间变压器30的输入电压达到150.5V，三相交流电源10的电压加载到第一铁心31的励磁绕组和第二铁心32的励磁绕组上，中间变压器30的输出绕组即感应出被测单框铁心20所需的非正弦励磁电压波形，原理如下：
被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器的额定磁通密度B0即为工作磁通密度，以被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器的工作磁通密度(铁心柱磁通密度)为测量基准，通过公式(1)调整中间变压器30的输入电压U1将中间变压器30的心柱磁通密度调整为与被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器的工作磁通密度一致，根据电磁感应定律(公式2)：如果立体卷铁心心柱磁通密度波形相同，则铁心感应电压波形相同，由此可得，中间变压器30输出绕组感应电压波形与被测单框铁心20所需的非正弦励磁波形一致。
(2)调整中间变压器30的输出绕组匝数，将中间变压器30的输出电压幅值调整到被测单框铁心20所需电压幅值：
由于测量过程中保证中间变压器30输出绕组的电压波形，与被测单框铁心20所在立体卷铁心变压器在额定磁通密度B0下单框铁心上的感应电动势波形相同，则，第一铁心31的单框铁心磁通密度B1、第二铁心32的单框铁心磁通密度B2和被测单框铁心20的磁通密度B3的波形相同，即B1＝B2＝B3，
Figure GDA0004229621320000071
式中，U为电压，V；N为绕组匝数；S为铁心截面，m2；B为磁通密度，T；t为时间，s。
另外，第一铁心31的d1输出绕组31.4的电压U2，第二铁心32的d2输出绕组32.4的电压U3，被测单框铁心20的单框励磁绕组21电压U4，三者满足关系式(3)：
U2+U3＝U4公式(3)
根据公式(2)和公式(3)以及B1＝B2＝B3可得中间变压器30的输出绕组匝数、铁心截面和被测单框铁心20铁心匝数及铁心截面之间的关系，如公式(5)所示。
N2S2+N3S3＝N4S4公式(5)
式中，N2为d1输出绕组31.4的匝数；
S2为第一铁心31的单框铁心的截面积，m2；
N3为d2输出绕组32.4的匝数；
S3为第二铁心32的单框铁心的截面积，m2；
N4为被测单框铁心20的单框励磁绕组21的匝数；
S4为被测单框铁心21的截面积，m2。
利用公式(5)调整第一铁心31的d1输出绕组31.4和第二铁心32的d2输出绕组32.4的匝数，将中间变压器30的输出电压幅值调整到被测单框铁心20所需电压幅值，具体调节过程为，通过公式(2)由被测单框铁心20所需电压幅值，即可得N4S4的数值，本实施例中N4为10匝，S4为0.0013m2；S2为0.0069，S3为0.0013，根据N4S4的数值，先调整N2使N4S4-N2S2≤S2，再调整N3满足式(5)，通过调整N2和N3被测单框铁心达到被测单框铁心20所需的电压幅值；其中N2实现粗调，N3实现细调。
(3)通过功率表W测出单框铁心损耗。
综上所述，本实施例首先通过将中间变压器30的心柱磁通密度调整为与基准磁通密度一致，得到符合立体卷铁心变压器中被测单框20励磁条件的励磁电压波形，然后通过调整第一铁心31的d1输出绕组31.4和第二铁心32的d2输出绕组32.4的匝数，将中间变压器30的输出电压幅值调整到被测单框20所需电压幅值；由此，对被测单框20加载正确的非正弦电压。
实施例3验证实施例2中立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量方法的有效性
利用实施例2的方法分别测量三个结构尺寸相同的被测单框20的损耗P1、P2、P3，再将三个被测单框20组装成立体卷铁心变压器测量铁心损耗P0，比较三个被测单框20损耗之和，与三个被测单框20组成立体卷铁心变压器的损耗，结果如表2所示，由表2可以看出，三个被测单框铁心20损耗之和，与三个被测单框铁心20组成的立体卷铁心变压器的损耗非常接近，可见本发明的单框铁心损耗的测量方法的准确度高。表1为实施例2中间变压器30和被测单框铁心20的参数(表中电压参数值均指有效值)。
通过仪表测量三相交流电源10的输出波形，如图3所示，三相交流电源10的输出波形为正弦波形，通过仪表测量实施例2中被测单框铁心20的励磁电压波形，结果如图4所示，可见，被测单框铁心20的励磁电压波形为非正弦波形。
表1
参数 值
U1/V 150.5
N1 30
B0/T 1.638
S1/m2 0.0138
f/Hz 50
N2 1
S2/m2 0.0069
N3 5
S3/m2 0.0013
N4 10
S4/m2 0.0013
表2
参数 值
P1/W 5.3
P2/W 5.4
P3/W 5.3
(P1+P2+P3)/W 16.0
P0/W 15.9
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置，包括三相交流电源(10)、被测单框铁心(20)，所述被测单框铁心(20)的单框铁轭上缠绕有单框励磁绕组(21)；其特征在于，它还包括中间变压器(30)，所述中间变压器(30)包括一个或者一个以上的铁心，每个所述铁心由三个互成60°结构尺寸相同的单框铁心围合组成立体卷铁心结构，每个所述铁心均具有铁心柱和单框铁轭；
每个铁心还包括三组励磁绕组和一组输出绕组，所述三组励磁绕组分别缠绕在对应铁心的铁心柱上，所述输出绕组缠绕在对应铁心的单框铁轭上，所述三组励磁绕组分别为A相励磁绕组、B相励磁绕组和C相励磁绕组，所述一组输出绕组为D输出绕组；所述三相交流电源(10)的三个电源接口分别与A相励磁绕组、B相励磁绕组和C相励磁绕组连接，所述D输出绕组的输出电压作为被测单框铁心(20)的励磁电压加载到被测单框铁心(20)的单框励磁绕组(21)上，被测单框铁心(20)上还连有用于测量被测单框铁心(20)损耗的功率表(40)。
2.根据权利要求1所述的立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置，其特征在于，所述中间变压器(30)包括两个铁心，两个铁心分别为第一铁心(31)和第二铁心(32)，所述第一铁心(31)的铁心柱上缠绕有a1相励磁绕组(31.1)、b1相励磁绕组(31.2)、c1相励磁绕组(31.3)以及缠绕在单框铁轭上的d1输出绕组(31.4)；同样地，所述第二铁心(32)的铁心柱上缠绕有a2相励磁绕组(32.1)、b2相励磁绕组(32.2)、c2相励磁绕组(32.3)以及缠绕在单框铁轭上的d2输出绕组(32.4)；
所述a1相励磁绕组(31.1)和a2相励磁绕组(32.1)并联连接后与三相交流电源(10)连接，所述b1相励磁绕组(31.2)和b2相励磁绕组(32.2)并联连接后与三相交流电源(10)连接，所述c1相励磁绕组(31.3)和c2相励磁绕组(32.3)并联连接后与三相交流电源(10)连接；
所述d1输出绕组(31.4)和d2输出绕组(32.4)串联连接后与单框励磁绕组(21)连接。
3.根据权利要求2所述的立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量装置，其特征在于，所述第一铁心(31)单框铁心的截面面积与第二铁心(32)单框铁心的截面面积的比值为5～10:1。
4.一种采用权利要求1中所述的装置测量立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的方法，其特征在于，包括步骤：
(1)、对被测单框铁心(20)加载所需的非正弦励磁电压波形：
根据被测单框铁心(20)所在立体卷铁心变压器的额定磁通密度B0，用公式(1)计算得到中间变压器(30)的输入电压U1，然后将三相交流电源(10)的输出电压调整为U1；
U1＝4.44fN1B0S1(公式1)
式中，f为电源频率，Hz；N1为中间变压器中某一个铁心的励磁绕组匝数；S1为该铁心的心柱截面积，m2；
(2)、调整中间变压器(30)的输出绕组匝数，将中间变压器(30)的输出电压幅值调整到被测单框铁心(20)所需电压幅值：
中间变压器(30)的输出绕组匝数满足：中间变压器(30)中各铁心的输出绕组匝数乘以中间变压器(30)的各铁心中单框铁心的截面积的数值，等于被测单框铁心(20)的单框励磁绕组匝数乘以被测单框铁心(20)的截面积的数值；
(3)、通过功率表(40)测出被测单框铁心(20)的损耗。
5.根据权利要求4所述的立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量方法，其特征在于：所述中间变压器(30)包括两个铁心，两个铁心分别为第一铁心(31)、第二铁心(32)，所述第一铁心(31)的铁心柱上缠绕有a1相励磁绕组(31.1)、b1相励磁绕组(31.2)、c1相励磁绕组(31.3)以及缠绕在单框铁轭上的d1输出绕组(31.4)；同样地，所述第二铁心(32)的铁心柱上缠绕有a2相励磁绕组(32.1)、b2相励磁绕组(32.2)、c2相励磁绕组(32.3)以及缠绕在单框铁轭上的d2输出绕组(32.4)；所述a1相励磁绕组(31.1)和a2相励磁绕组(32.1)并联连接后与三相交流电源(10)连接，所述b1相励磁绕组(31.2)和b2相励磁绕组(32.2)并联连接后与三相交流电源(10)连接，所述c1相励磁绕组(31.3)和c2相励磁绕组(32.3)并联连接后与三相交流电源(10)连接；所述d1输出绕组(31.4)和d2输出绕组(32.4)串联连接后与单框励磁绕组(21)连接；所述第一铁心(31)单框铁心的截面面积与第二铁心(32)单框铁心的截面面积的比为5～10:1；
所述步骤(2)具体为，调整d1输出绕组(31.4)和d2输出绕组(32.4)的匝数使其满足公式(5)：
N2S2+N3S3＝N4S4公式(5)
式中，N2为d1输出绕组(31.4)的匝数；
S2为第一铁心(31)的单框铁心的截面积，m2；
N3为d2输出绕组(32.4)的匝数；
S3为第二铁心(32)的单框铁心的截面积，m2；
N4为被测单框铁心(20)的单框励磁绕组(21)的匝数；
S4为被测单框铁心(20)的截面积，m2。
6.根据权利要求5所述的立体卷铁心变压器的单框铁心损耗的测量方法，其特征在于：所述调整d1输出绕组(31.4)和d2输出绕组(32.4)的匝数具体操作为，先调整N2使N4S4-N2S2≤S2，再调整N3满足式(5)。
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