特種高阻抗變壓器的制作分析

張 聯，覃勇崎

(廣西機電職業技術學院，廣西南寧530007)

0 引言

高阻抗變壓器與電力變壓器和普通整流變壓器低阻抗值的要求相比有較大差異，前者輸出特性為下降特性，后兩者輸出特性為平硬特性。常見高阻抗變壓器多是單相的，如弧焊變壓器等;而三相高阻抗變壓器則用于等離子切割設備上，其電源有幾種方式可以實現:一是用普通整流變壓器串接獨立電抗器來達到整體變壓器輸出的要求;二是用電子控制的方式滿足輸出的要求，即所謂電子電抗器方式。這兩種方式各有特點，前者生產過程增加了附件，造成生產工序多;后者需要借助高頻電子器件來實現，元件要求高、控制線路復雜，且在大功率方面難以實現。因此，設想用增加普通變壓器阻抗的方法來達到要求，以使生產制作簡潔，而在一些應用場合也要求通過高阻抗變壓器來滿足大功率電源變換的要求。單相高阻抗變壓器生產方便，在中小功率的電源方面有較廣泛的應用，而三相高阻抗變壓器則應用于大功率電源設備。

1 設計思想

高阻抗變壓器的制作或許還不算復雜，但在設計的過程中卻有較多的要求，因為高阻抗變壓器參數較離散，影響技術要求的參數較多，包括高阻抗變壓器的線圈的形狀、線圈匝數、元件之間的間距、甚至導線的長度等都對性能產生影響;因此有時設計一個電子控制線路，其計算也不如設計一個高阻抗變壓器來得復雜。對于三相高阻抗變壓器在設計階段首先要解決電源設備對阻抗的要求，即根據電源負載的要求確定三相高阻抗變壓器每相輸出的阻抗，這是高阻抗變壓器外特性性能要求上的關鍵參數;高阻抗變壓器的輸入輸出電壓，以及容量也是重要參數?，F以三相高阻抗整流電源為例說明其設計制作的過程。

技術要求:變壓器Y/Y0接法，經三相橋式整流器后輸出，直流空載電壓為U0，負載電壓為Ue，負載電流為Ie，負載持續率為FS=100%。電路如圖1 所示。

圖1 三相橋式整流電路

首先計算變壓器阻抗值，由于變壓器繞組線圈的電阻很小，可以忽略不計，因此變壓器的阻抗值可近似看成電抗值。

由圖1 可以看出，任何時候線路負載都是由某兩相電源供電，因此可以得出等值電路，如圖2 所示;若負載是電弧類負載，可看成是電阻性負載，用RL表示。

圖2 等值電路

設變壓器繞組形狀均一，則各相電抗相等，所以Xa=Xb=X。

整流電路輸出電壓波形如圖3 所示，從輸出波形可以看出，等值電路對應于線電壓π/3 電角度范圍。通過計算得出π/3 電角度范圍內的平均電壓，這個電壓就是整流輸出的平均電壓。

圖3 整流電路輸出電壓波形圖

則輸出空載電壓可得:

U0:整流輸出空載電壓;Ul:變壓器次級線電壓

通過此式可計算出變壓器次級每相繞組所需的電壓，從而為計算繞組匝數提供參數依據。

而負載時:

電流波形與電壓波形相似，但初相位不同，為θ

將所有已知參數代入，可求得X 的值。

X 的值確定后，即可設計定型線圈的形狀，由于高阻抗變壓器參數較離散，可先按常規方法大致確定高阻抗變壓器的鐵芯、線圈各尺寸，然后校核實際X 值，并進行修正，直到符合計算的X 值為止。

對于確定的變壓器有:

其中N2為副方匝數;l2為副方平均匝長;AP為芯柱上線圈軸向上綜合尺寸;ρn為漏磁洛氏系數，與變壓器形狀有關;H為線圈平均徑向尺寸。

高阻抗變壓器的形狀，主要指鐵芯和線圈繞組的形狀，通過計算公式可以看出它對變壓器的參數有直接的影響，可采用方形、圓形等形狀;對于三相大容量設備，采用接近圓柱的階梯形鐵芯和圓形線圈，一方面可使計算簡潔些，另一方面可使制造過程節約材料。在為東風柳州汽車公司水冷等離子切割設備設計制作的260 kVA 大容量高阻抗變壓器ZBSG -260/0.4即采用圓形方案。

確定好e 后，根據電壓以及變壓器聯接組關系的要求，可計算線圈繞組的匝數N=U/e，并根據負載持續率為FS 的值以及變壓器溫升的要求確定導線電流密度及導線截面積的大小，得出導線的規格。主要參數確定完，即可確定變壓器的結構，并校核X 的值。至此高阻抗變壓器設計大體完成。

2 制作要點

高阻抗變壓器的制作與普通變壓器大致相同，但要注意，由于其漏磁較多，固定器件應盡量采用抗磁材料來制作，特別是大容量高阻抗變壓器，沿鐵芯柱軸向緊固器身用的變壓器拉桿應采用銅質材料，而不能采用鋼鐵等順磁材料，否則，拉桿在高阻抗變壓器運行時會由于渦流的產生而發熱，發燙，造成損耗，并影響變壓器的性能。此外要注意，變壓器上下橫向鐵軛的夾板、底架(因受力較大，一般采用槽鋼)與變壓器鐵芯之間，和與固定螺栓之間要用絕緣材料隔離，避免形成磁通回路，而造成夾板、螺栓產生渦流，增加變壓器損耗。

3 試驗

高阻抗變壓器的制作完成，須進行性能試驗和安全試驗。主要性能試驗項目包括:空載電壓、空載電流、整流輸出外特性等;主要安全試驗項目包括:輸入對鐵芯、輸入對輸出、輸出對鐵芯的絕緣電阻以及介電強度試驗、繞組匝間介電強度試驗。為東風柳州汽車公司水冷等離子切割設備設計制作的260 kVA 大容量高阻抗變壓器ZBSG -260/0.4 就通過了這類試驗，其中測定的整流輸出外特性曲線為陡降特性，很好地符合設備的應用要求。檢驗合格后，送交用戶，至今已運行了多年，性能良好。

4 結語

高阻抗變壓器的設計制作方法，從理論推論到實際制作經過了實踐的檢驗，是行之有效的，是實用的方法，為此類變壓器的制作提供了依據。

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