R型變壓器沖擊電流

自R型變壓器問世以來，它所具有的低漏磁、低噪音、高效率等優(yōu)點(diǎn)越來越為人們所接受。它廣泛應(yīng)用于電子、通訊、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。隨著中功率R型變壓器的開發(fā)，還廣泛應(yīng)用于大功率逆變電源、鐵路信號(hào)等。我相信，隨著R型變壓器的技術(shù)和工藝的日趨完善，它必將對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。但新事物的出現(xiàn)有其先進(jìn)的一面，也必有其不足之處。那就是R型變壓器所特有的沖擊電流比較大的特點(diǎn)。下面就其形成原理作一介紹。

2沖擊電流形成的原理

當(dāng)變壓器次級(jí)開路，初次加額定電壓時(shí)的瞬間，初級(jí)電流有一個(gè)瞬時(shí)的沖擊過程，我們稱之為沖擊電流。

現(xiàn)在來討論單相變壓器的的空載合閘。對(duì)一次電路可寫出下列瞬時(shí)方程式

u=iR+W(dφ/dt) 。 ①

式中u-外施電壓瞬時(shí)值(V);

i-一次繞組流過的空載電流(A);

R-一次繞組的電阻(Ω);

W-一次繞組的匝數(shù);

φ-鐵心磁通(Wb);

t-時(shí)間(s)。

我們首先假設(shè)鐵心不飽和時(shí)的情況。此時(shí)一次繞組的空載電流與鐵心磁通成正比。

即i=W/Lφ，

式中L-一次繞組的電感。

將上式代入①，可得dφ/dt+R/L*φ=u/W 。②

假定外施電壓為正弦形，

即u=Umsin(ωt+ψ)

式中Um-外施電壓峰值(V);

ψ-合閘開始時(shí)外施電壓相位角。

于是式② 可寫成

dφ/dt+R/Lφ=Um/W sin(ωt+ψ)。

上式是一個(gè)線性微分方程式，它的解包括一般解和特殊解兩部分，即

φ=φ′+φ″ 。 ③

φ′為方程式的特殊解，它表示穩(wěn)態(tài)磁通;φ″為方程式的一般解，它表示暫態(tài)磁通。由電磁感應(yīng)定 律可知，穩(wěn)態(tài)磁通滯后外施電壓90°，所以

φ′=-φmcos(ωt+ψ) 。 ④

暫態(tài)磁通是下列方程式的解

dφ″/dt+R/Lφ′=0 。

解此方程可得

φ″=Ce-R/Lt 。

上式中的系數(shù)C可由起始條件求出。在合閘瞬間，即當(dāng)t=0時(shí)，鐵心中的磁通或者等于零，或者有一定量的剩磁φs。如果鐵心有剩磁，那么當(dāng)t=0時(shí)，

φ=φ’+φ″ =-φmcosψ+C=φs ，

從而求出

C=φmcosψ+φs 。

將上式代入φ’’=Ce-R/Lt中，得出

φ″=(φmcosψ+φs)e-R/Lt 。 ⑤

將式④和式⑤代入式③中，得出瞬變過程的合成磁通

φ=-φmcos(ωt+ψ)+(φmcosψ+φs)e-R/Lt。⑥

下面來討論這個(gè)解。當(dāng)ψ=π/2，φs=0時(shí)，上式可寫成

φ=-φmcos(ωt+π/2)+φmcos(π/2)e-R/Lt=φm sinωt 。

上式表明，當(dāng)鐵心無剩磁且在外施電壓達(dá)峰值合閘時(shí)，合成磁通中無暫態(tài)分量，這是最理想的空載合閘條件。

又當(dāng)ψ=0 ，φs≠0時(shí)，式⑥可寫成

φ=-φmcosωt+(φm+φs )e-R/Lt 。

上式表明，當(dāng)鐵心有剩磁且在外施電壓過零合閘時(shí)，合成磁通中暫態(tài)分量最大。這是最不利的空載合閘條件。在此種條件下，空載合閘時(shí)的磁通曲線，如圖1表示。

當(dāng)ωt=π時(shí)，或當(dāng)t=π/ω時(shí)，合成磁通達(dá)最大值φmax。它與φm的比值

φmax/φm=1+(1+φs/φm)e-(Rπ)/(Lω)。

通常R型鐵心中的剩磁可達(dá)1～1.3T，(具體見圖2 R型鐵心材料的B～H曲線)

而R/ωL一般情況下約為0.05左右，所以當(dāng)Bm=1.65T～1.7T時(shí)，

φs/φm=0.7，于是

φmax=1.85φm+0.85φs=2.44φm 。 ⑦

而當(dāng)鐵心中無剩磁時(shí)，

φmax=1.85φm 。

由此看來，在外施電壓過零合閘時(shí)，鐵心磁通可達(dá)額定磁通的2倍左右。由于我們假定鐵心不飽和，所以空載電流為額定空載電流的2倍左右。

現(xiàn)在來討論鐵心飽和時(shí)變壓器的空載合閘電流。在這種情況下，空載電流i與鐵心磁通φ不成正比，而是鐵心磁化曲線關(guān)系，即非線性關(guān)系。但在①式中一次繞組壓降比感應(yīng)電壓小得多，所以忽略一次繞組電感L的變化，不會(huì)引起很大的誤差。所以可近似地認(rèn)為式①～⑦亦適應(yīng)于飽和時(shí)的情況。但在鐵心飽和的情況下，空載電流將增至額定空載電流的幾十倍，有時(shí)會(huì)大大超過額定電流。

為了確定在最不利的條件下的合閘電流，設(shè)鐵心的有效截面積S0，而按一次繞組內(nèi)徑所計(jì)算的面積為SW，那么被一次繞組所包圍的磁通最大值

φmax=1.85φm+0.85φs=BS0+(SW- S0)μ0H 。

式中 H-空氣中的磁場強(qiáng)度(A/m);

B-鐵心中的磁通密度(T);

μ0-真空磁導(dǎo)率;

空氣中的磁場強(qiáng)度H近似等于繞組的總磁勢與繞組高度h之比，而鐵心磁密最高為2.2T，所以

H=WImax/h=(1.85φm +0.85φs-2.2 S0)/(SW- S0)μ0。

由上式可得

Imax=[h S0(1.85Bm +0.85Bs -2.2 )]/(W(SW- S0)μ0) 。 ⑧

式中Bm-鐵心穩(wěn)態(tài)磁密(T);

Bs-鐵心剩磁磁密(T);

按上式即可確定在最不利的條件下合閘時(shí)的空載電流。由于鐵心飽和，所以當(dāng)鐵心磁通增大一倍左右時(shí)，合閘電流可達(dá)穩(wěn)態(tài)空載電流的80～100倍，很有可能超過額定電流。

由⑤式可以看出，暫態(tài)磁通φ’’的大小和衰減速度取決于R/L，L越大，磁場儲(chǔ)能越多，沖擊電流衰減越慢，R越大，儲(chǔ)能消耗越快，沖擊電流衰減也越快。為了減小φ’’并加速衰減過程，應(yīng)增大R并減小L。

從上面⑧式我們可得到兩個(gè)啟示：

第一，如果Bm降低，由鐵心材料的磁化曲線可以看出剩磁Bs也會(huì)作相應(yīng)地降低，同時(shí)由于Bm降低也會(huì)使初級(jí)匝數(shù)W增加，所有這一切都將有助于沖擊電流的降低，在一定的情況下我們可以利用此方法來降低沖擊電流，但其前提是犧牲了變壓器的功率。

第二，如果變壓器的一次繞組是外部繞組的話，那么空載合閘電流將比一次繞組是內(nèi)部繞組時(shí)小得多。這無疑給我們提供了另一個(gè)解決沖擊電流的方法。下面就其應(yīng)用實(shí)例作一介紹。

3實(shí)際應(yīng)用

下面就以我公司所設(shè)計(jì)的R型中功率變壓器的沖擊電流作一說明：

單相R10K變壓器：

鐵心材料采用日本新日鐵硅鋼帶ZH105

初級(jí)輸入額定電壓220V，次級(jí)260V輸出，B值取1.7T，經(jīng)計(jì)算知額定電流為68A。

采用初級(jí)繞在內(nèi)層，次級(jí)繞在外層，經(jīng)多次測試空載合閘最大的沖擊電流為960A。

后經(jīng)在同樣的技術(shù)參數(shù)條件下，采用初級(jí)繞在外層，次級(jí)繞在內(nèi)層，經(jīng)實(shí)測空載合閘最大沖擊電流為350A。

4結(jié)論

由上述討論結(jié)果可知降低變壓器沖擊電流可采用以下方法：

第一，可降低鐵心的磁通密度Bm，使鐵心在空載合閘時(shí)降低其飽和的程度，從而減小沖擊電流。

第二，對(duì)于功率較大的R型變壓器可采用初級(jí)繞在外層，次級(jí)繞在內(nèi)層的繞制方法，來降低沖擊電流。

下面就小功率的R型變壓器(R3～R1000)的沖擊電流在使用時(shí)應(yīng)注意的問題作一討論。由上述討論可知沖擊電流有時(shí)會(huì)超過額定電流，但這個(gè)大電流持續(xù)時(shí)間很短，在通常50Hz條件下，此電流將持續(xù)1/4-1/2周期，也就是5-10毫秒，之后便進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，因電子變壓器的體積小，分布參數(shù)也小，不易與電源頻率發(fā)生諧振，即使發(fā)生震蕩也會(huì)因?yàn)閮?nèi)阻的存在，會(huì)使在幾個(gè)周期波內(nèi)被阻尼。能量靠積累才會(huì)發(fā)熱，眾所周知，在數(shù)毫秒之內(nèi)的十倍于額定電流都不會(huì)使絕緣材料和繞組受損。也就是說沖擊電流對(duì)于此類變壓器的性能沒有太大影響。當(dāng)然變壓器需要保護(hù)，其中過流保護(hù)又可分為短路保護(hù)和過載保護(hù)，保險(xiǎn)絲只能起到短路保護(hù)作用，針對(duì)上述所討論的沖擊的問題，變壓器初級(jí)所采用的保險(xiǎn)絲可采用延時(shí)保險(xiǎn)絲，或者其額定電流取到變壓器額定電流的3-3.5倍即可。

變壓器組成部件包括器身(鐵芯、繞組、絕緣、引線)、變壓器油、油箱和冷卻裝置、調(diào)壓裝置、保護(hù)裝置(吸濕器、安全氣道、氣體繼電器、儲(chǔ)油柜及測溫裝置等)和出線套管。

ESTi特別訂制的全進(jìn)口R型變壓器, 與傳統(tǒng)的(環(huán)型、C型)等變壓器相比:

1、漏磁極小, 僅為EI型變壓器的1/10、C型變壓器的1/5左右;

2、損耗小, 溫升低, 相同功率下溫升只有EI型變壓器的1/2;

3、頻率特性好: R形變壓器在中頻(400hz)工作時(shí)顯示出極小的空載電流和空載損耗, 其數(shù)量級(jí)甚至可以達(dá)到工作在50hz時(shí)的量值;

R形變壓器在音頻范圍內(nèi)工作時(shí), 顯出優(yōu)于其他任何類形變壓器的幅頻性好: 電壓波形失真度<0.2%, 頻率響應(yīng)<1db

R型變壓器聲音非常飽滿堅(jiān)實(shí), 樂器質(zhì)感很好, 有著比環(huán)型變壓器更為出色的解析力和瞬變。低頻有著比其他變壓器更為清晰的層次表現(xiàn)。而且R型變壓器在音響上的應(yīng)用, 更是受到了眾多Hifi愛好者的追捧。