新型不对称接线平衡变压器电磁设计*

许志伟，谢卫才，彭 晓，李永坚

(湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

新型不对称接线平衡变压器电磁设计*

许志伟，谢卫才，彭 晓，李永坚

(湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

不对称接线平衡变压器是一种新型特种变压器，其短路阻抗需要满足一定的约束关系式.对不对称接线变压器的绕组，铁心进行了设计，最后验证了短路阻抗关系式.结果表明不对称接线平衡变压器设计是完全可行的，为变压器的研制打下坚实基础. 关键词：不对称接线；平衡变压器；电磁设计；短路阻抗

0 引言

不对称接线平衡变压器是近年来新提出的一种综合性能优良的平衡变压器[1-3].作为一种新型变压器，其绕组结构特殊，绕组短路阻抗之间还需要满足一定的约束关系，其电磁设计与传统变压器不同，没有现成的设计方案[4-5].本文从原始设计数据出发，得到了变压器的绕组结构，铁心结构的设计方案.并且验证了该设计满足平衡条件约束，证明，该电磁方案是正确的.为该特殊变压器的研制打下了基础.

1 额定参数

不对称接线2 kVA特种变压器模型为干式变压器的原始参数为；一次侧三相线电压为380 V；二次侧两相输出电压为220 V；

额定频率为50 Hz；一次侧额定电流为3.039 A；二次侧额定电流4.545 A： 一、二次侧相电压均为220 V.

2 铁心计算

按照如下公式计算铁心直径.

其中D、S柱、K分别表示铁心直径、变压器每柱容量(kVA)、经验系数.

S柱=1 kVA.

可得：D=90

铁心净截面积为:54.711 cm2.其中叠片系数取0.86.

3 基本绕组参数计算

(1) 每匝绕组电压et分析：

et=2.22×B×Sc×10-2

计算结果为：

et=1.9433 V

下面计算每匝绕组电压及其磁通密度校正：

(2)一、二次侧压绕组匝数计算:

计算得到的输出二次侧最大电流密度为0.4288A/mm2

(4)绕组层数分析：

一次侧绕组10层，总匝数113.二次侧绕组有两种，绕组数W2的为6层，总匝数65.绕组数W3层数为4层，总匝数48.层数分布见表1.

表1 绕组层数分布

考虑裕度后取值为89 mm,

考虑裕度后取值89 mm.

(6)层间绝缘和绕组线圈辐向尺寸：层间绝缘采用两层0.12 mm电缆纸.导线计算厚度乘以层数，再加上绕组层间绝缘厚度，并适当考虑绕组裕度.

一次侧绕组：取27 mm.

二次侧W2绕组(B相除外)：取16 mm.

二次侧W3绕组：取11 mm.

4 B相绕组参数计算

(1)二次侧线圈辐向尺寸(考虑辐向绕组裕度，乘以1.02倍，并凑成0.5的倍数)：

二次侧线圈辐向尺寸取值为28.5.

图1 B相绕组示意图

图1中a2表示二次侧②号绕组辐向宽度， r12为①、②绕组的绝缘距离， a1为一次侧绕组辐向宽度.

l2表示二次侧②号绕组总长，l1一次侧①号绕组总长，Rb2，Pb2为二次侧②号绕组的电阻和损耗，Rb1，Pb1为二次侧①号绕组的电阻和损耗.

(2)B相绝缘半径的计算

铁心半径r：45

套装裕度r0：5.5

二次侧绕组内径: 50.5

二次侧绕组辐向宽度a2： 28.5

二次侧绕组外半径: 79

一次侧绕组绝缘距离r12：10

一次侧绕组内半径: 89

一次侧绕组辐向宽度a1:27

一次侧绕组外半径: 116

(3)B相绕组电阻计算

二次侧绕组总长：l2=N2×2πr2p=26444 mm一次压绕组总长：l1=N12πr1p=72775 mm

B相绕组电阻值：

Rb2=0.0232 Ω

Rb1=0.1269 Ω

(4)绕组电阻损耗，负载损耗为：

B相总损耗(乘了1.02倍系数)：

PB=1.8472 W

(5)B相两个绕组短路电抗计算：

∑D=23.889 cm2

H12=78.8 mm

λ=65.1 mm

∴ρ=0.7370

B相绕组的短路电抗为(百分数表示)：

∴UX12%=0.9383%

5 C相、A相绕组设计

图2 C相绕组示意图

图3 A相绕组示意图

C相、A相的设计过程与B相相似.计算结果如表2所示.

r0表示套装裕度，a3为二次侧③号绕组辐向宽度，a31为二次侧③号绕组内半径，a32为二次侧③号绕组外半径，r23为二次侧绕组绝缘距离, r2p二次侧绕组平均半径，a21二次侧②号绕组内半径，a2二次侧②号绕组辐向宽度，a22二次侧②号绕组外半径，r12为①、②绕组绝缘距离，a11一次侧①号绕组内半径，a1一次侧绕组辐向宽度，a12一次侧①号绕组外半径，l3为二次侧3号绕组总长，l2为二次侧②号绕组总长，l1为一次侧①号绕组总长，Rc3，Pc3为二次侧③号绕组电阻和损耗，Rc2，Pc2为二次侧②号绕组电阻和损耗，Rc1，Pc1为二次侧①号绕组电阻和损耗，Ur12% ，Ur13% ，Ur23% ，Ux13%Ux13% ，Ux13%分别为对应绕组短路电抗值.

表2 C相、A相绕组设计结果

6 绕组短路阻抗关系式分析

可将短路阻抗分为短路电抗和短路电阻两部分.验证设计结果是否符合要求.因为电阻值很小，可忽略不计.只需将电抗部分带入约束关系式.

约束关系式如下：

验证过程如下：

将短路电抗带入进行验证：

(3)

最大误差小于5%，与B相的值0.9383%比较后接近，说明设计是合适的.

7 结语

不对称接线平衡变压器作为一种新的平衡变压器，其设计没有现成的方案可以借鉴.本文从原始数据出发，对不对称平衡变压器的电磁方案进行了详细的设计，给出了设计结果，并验证了短路阻抗关系式.表明设计方案的正确性.为不对称平衡变压器的制造打下了坚实的基础.

[1] 许志伟，罗隆福，张志文．新型不对称接线三相变两相平衡变压器[J]．中国电机工程学报，2012，32(24)：148-155 .

[2] 许志伟，罗隆福，张志文．新型不对称接线三相变四相平衡变压器[J]．电力自动化设备，2012，32(24)：148-155．

[3] 李永坚，许志伟，彭 晓. 基于能量法的不对称平衡变压器短路阻抗分析[J]. 湖南工程学院学报, 2014, 24(1): 5-7．

[4] 崔立君. 特种变压器理论与设计[M]. 北京：科学技术文献出版社，1996.

[5] 刘传彝．电力变压器设计计算方法与实践[M]．辽宁科学技术出版社，2002：32-35 .

[6] 许志伟．基于新型平衡变压器与感应滤波技术的电气化铁道电能质量治理研究[D]．湖南大学博士学位论文，2014：72-75.

Electromagnetic Design of Asymmetrical Connection Balanced Transformer

XU Zhi-wei,XIE Wei-cai,PENG Xiao,LI Yong-jian

(Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

Balanced transformer is a special transformer. The short-circuit impedance need meet certain constraints. In this paper, the design of the winding and the core of the asymmetrical connection transformer are designed. The results show that the design of the balanced transformer is completely feasible, which lays a solid foundation for the development of the transformer.

asymmetricat connection; balanced transformer; electromagnetic design; short-circuit impedance

2016-07-10

湖南省教育厅创新平台项目(15K031)；湖南工程学院博士科研启动基金项目(15046)；风力发电机组及控制湖南省重点实验室开放研究基金资助项目(FLFDYB02)；湖南省科技厅重点研发计划项目(2016GK2018)

许志伟 (1978 - )，男，博士，副教授，研究方向：新型风力发电机组、特种变压器等.

TM301.2；TM921.2

A

1671-119X(2016)04-0023-04