谐波激励条件下变压器铁心磁性能研究

为考察复杂激励条件下变压器铁心的磁性能,文中搭建了一种磁通密度可控的实验平台。基于变压器铁心模型,通过采用可产生任意波形的谐波电源对励磁电压波形调整的方法,实现了对变压器铁心模型中磁通密度的控制。文中分别从谐波相位、谐波阶次以及谐波含量三方面考察和分析了对变压器铁心损耗的影响,发现随着谐波阶次和谐波含量的增加铁心损耗逐渐增大,且谐波相位差的增加使局部磁滞回环扩大,从而导致铁心损耗的增大,而在谐波阶次足够高时,相位对其影响减弱,因此可忽略谐波相位对铁心损耗的影响。所得结果和结论为谐波激励条件下变压器铁心电磁场数值计算提供了数据支持,有助于通过优化设计提高变压器产品的性能。     

电力变压器全斜接缝叠片铁心工作条件下的磁性能模拟

在标准条件下,通过测量得到的电力变压器叠片铁心材料的磁性能数据,不能完全反应实际工作状态下材料的真实电磁性能。本文建立了两个产品级的叠片铁心模型模拟电力变压器铁心的实际工作状态,两铁心采用相同的材料和接缝型式,具有相同的截面面积,但柱轭的长度不同,采用双铁心方法获取电力变压器叠片铁心工作条件下的综合磁性能。得到了包括有效磁路长度,磁化曲线,损耗曲线以及铁心接缝区和柱轭区的励磁伏安等磁性能数据,有助于提高电力变压器产品的电磁分析和优化设计。     

基于非线性复数磁导率模型的叠片铁心损耗计算

为实现频域计算中电力变压器损耗分布特性的快速计算,本文基于非线性复数磁导率模型,在保证计算精度的同时,提出了一种正弦稳态服役条件下叠片铁心损耗分布的快速计算方法。首先,基于磁滞回线面积等效原理,在考虑基本磁化曲线非线性特性的基础上,得到复数磁导率的实部与虚部;其次,为了验证本文所提出模型对变压器铁心损耗预测的有效性,耦合铁心叠片均匀化方法,建立了单相叠片铁心的频域有限元仿真模型,对变压器铁心中损耗与磁通密度分布进行计算;最后,制作了单相变压器铁心实验模型,搭建单相变压器铁心损耗实验平台,对本文所提出的方法有效性进行验证。结果表明,基于非线性复数磁导率叠片等效的变压器铁心损耗计算方法具有参数辨识过程简单、计算精度较高等特点,在变压器长期正弦稳态服役条件下的损耗计算与温升预测中具有一定应用前景。     

谐波平衡有限元法用于饱和铁心的损耗分析

利用一种新的有效的谐波平衡有限元算法 ,结合Lavers等人提出的考虑谐波时迭片铁心的磁滞损耗和涡流损耗的模型 ,提出了一种较准确求解饱和铁心损耗的计算方法。并与传统的计算方法进行了比较。以铁磁型三倍频变压器的空载情况为例进行了仿真计算和物理实验。结果表明 ,考虑谐波磁通密度影响时的铁心损耗值与传统的仅考虑基波磁通密度时的值相比有显著的增加。物理实验验证了所提算法的正确性。为设计工作在高度饱和状态下的电器设备估算铁心损耗提供了有效的分析方法     

基于双方圈模型的叠片铁心斜接缝磁化及损耗特性

本文通过双方圈模型,即相同接缝型式、相同材料但不同柱-轭长度的两个铁心模型,模拟变压器铁心工作状态,并按照材料均匀化的数据处理方法分离出转角接缝处激磁容量。为与爱泼斯坦方圈结果[9]比较,测量了未经去应力退火处理的叠片铁心的磁化特性与损耗特性。文献[1]采用本文数据,所得结果满足工程准确度要求。文中进一步讨论了如何确定平均磁路长度以减小误差,及有限元计算中磁化曲线的选取。     

改善铁心叠积形式提升产品性能

变压器铁心叠装时,由于上、下铁轭与铁心柱之间存在接缝,磁通密度在接缝附近发生畸变,畸变程度与每层叠片的数量及气隙大小有关,缝隙大,每层叠片的数量多,接缝处引起的磁通密度畸变也越大,如图1.     

畸变磁通作用下变压器铁心模型损耗的实验研究与模拟分析

对畸变磁通条件下产品级变压器铁心模型的损耗进行了实验研究,考察了谐波相位差变化对铁心损耗的影响。给出了一种能够考虑畸变磁通条件下铁心损耗的工程计算方法,该方法可有效地考虑局部磁滞回环对铁心损耗的影响。结合MagNet电磁分析软件,计算了产品级变压器铁心模型的铁心损耗,通过对比实验结果证明了方法的有效性。     

不同叠片接缝形式的换流变压器铁心电磁与振动特性分析

磁致伸缩和麦克斯韦应力是换流变压器铁心振动的主要原因，当铁心中存在气隙时，由麦克斯韦应力引起的铁心振动不可忽略。文中基于PSCAD搭建了特高压直流输电系统仿真模型，得到了换流变压器正常工作时谐波电压和谐波电流特点。建立了3种不同铁心结构的换流变压器模型，研究了不同结构铁心的磁场和麦克斯韦应力分布特点。在此基础上，从理论上推导了麦克斯韦应力与谐波电压的数学关系，研究了不同结构铁心在基波和谐波电压共同作用下麦克斯韦应力的大小关系以及在麦克斯韦应力作用下铁心表面振动加速度大小关系。研究结果表明，与传统双接缝铁心相比，六步进接缝铁心表面振动加速度最大值减少了15.44%；改进六步进接缝铁心表面振动加速度有效值减少了26.39%，最大值减少了25.68%。可见，改进六步进接缝铁心相比于传统双接缝铁心和六步进接缝铁心具有良好的减振效果。     

考虑漏感频变特性的三相立体卷铁心变压器建模及分析

针对一种宽输入电压范围双向逆变电源，可采用磁集成方法提高其功率密度。与传统三相平面叠铁心变压器相比，立体卷铁心变压器具有磁路对称、重量轻等优势，该文拟开展PWM非正弦激励下考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器建模相关研究。首先，基于Foster频变磁阻模型，提出一种考虑漏感频变特性的立体卷铁心变压器模型，通过全局优化算法计算模型参数；其次，针对级联H桥组合式DC-AC拓扑的典型工作点，分析了PWM非正弦激励的谐波特征，重点关注不同H桥之间各次谐波的相对相位关系，给出简化等效电路；最后搭建逆变电源试验平台，开展了稳态和动态试验，验证了模型的准确性。     

三相立体卷铁心变压器电磁分析

对三相立体卷铁心变压器的磁路进行了分析,给出了铁心柱和轭部磁通的大小、波形和相位的计算方法.     

方波激励下纳米晶体铁心损耗模型建立与验证

为了实现电力机车小型化轻量化的发展要求,国内外专家考虑通过采用提高变压器的工作频率减小变压器整体的体积和质量。铁心作为高频变压器的关键部件,可以准确计算铁心损耗,对中高频变压器的设计和优化具有重要作用。针对高频变压器铁心通常是工作在方波或脉宽调制(PWM)波等非正弦激励下的特点,对传统Steinmetz损耗计算模型进行了优化改进,给出了考虑磁密的变化率及波形系数对损耗的影响的Steinmetz改进损耗模型。同时,为了提高损耗模型在不同特征频率下的通用性,进一步对损耗模型系数的非线性进行研究,给出了模型系数随频率变化的非线性函数。最后,利用有限元计算结果同实物测量结果进行比较,证明了所提损耗模型在方波激励下对纳米晶体铁心计算的准确性。     

Demonstration of loss reduction effect of 66 kV‐classed 30 MVA three phase hybrid‐core transformer by trial manufacture

To realize larger‐capacity “Hybrid‐core transformer: HBT”, this research has assembled a 30‐MVA three‐phase trial HBT and evaluated the loss performances. The hybrid‐core consisting of the wound amorphous‐ and the stacked silicon steel‐cores, is expected having advantages of lower iron loss of the iron‐based amorphous material and the higher mechanical strength and saturation magnetic flux density of the silicon steels simultaneously. Three‐dimensional finite‐element method analysis revealed that the silicon steel core prevented over‐saturation of the amorphous core. The hybrid configuration enabled the design to have an approximately 10% higher magnetic flux density than configurations with only an amorphous core. We then assembled a prototype 30‐MVA three‐phase HBT designed on the basis of our investigation results. Operation tests demonstrated that the HBT has 62%‐reduced iron loss and 0.10%‐higher 50%‐loaded power efficiency from the conventional silicon steel core transformer.     

复杂工况下的电磁性能测量技术

针对电工材料供应商提供的磁性材料中电磁性能数据与实际数据有较大差距的问题,提出基于双爱泼斯坦方圈的加权测量法对复杂工况条件下硅钢片（30Q120）的电磁性能进行测量,即测量等效磁路长度、激磁伏安和硅钢片比损耗在不同频率和不同取样角度下的变化曲线,从而使仿真建模所使用的磁化曲线和损耗曲线更接近硅钢片真实的运行状态,增强仿真计算有效性。通过实验验证了等效磁路长度和硅钢片比总损耗在不同环境温度下的变化趋势,且所获实验结果对实际变压器铁心设计和变压器铁心综合损耗系数评价也具有参考价值。     

变压器环形铁芯建模和剩磁测量

大型电力变压器进行空载合闸操作时,铁芯中的剩磁可能会引起励磁涌流,导致变压器无法正常投入运行。文章介绍了一种新的分析和测量剩磁的方法,该方法是在外加正反向直流电压激励的基础上实现的。通过分析剩磁产生的原理,建立了基于Jiles-Atherton磁滞理论模型的变压器环形铁芯仿真模型。在环形铁芯绕组上先后施加大小相等方向相反的直流电压,可以得到两个不同的响应电流,结合场路暂态分析,可以判断剩磁的方向,并且找到响应电流和剩磁之间的关系。该方法可以在对变压器铁芯中原有剩磁影响不大的情况下准确测量剩磁的大小和方向。通过自主搭建的实验平台对环形铁芯中的剩磁进行了测量,验证了仿真结果的合理性。     

三相负载不平衡对变压器振动特性的影响研究

三相负载不平衡是配网中较为常见的问题。为研究三相负载不平衡工况下配电变压器振动特性,本文理论分析了铁芯和绕组振动特性及绕组振动传播特性;利用有限元软件分析了三相负载不平衡前后铁芯磁感应强度及绕组电磁力变化情况;搭建了变压器振动测式平台,分别采集变压器在三相不同位置单相带额定负载、两相带额定负载工况下的振动信号。研究结果表明：三相负载不平衡工况下铁芯中磁通密度基本不变,负载不平衡不会对变压器振动信号高频分量产生影响;不同位置的绕组振动对同一振动测试点影响程度不一样;三相负载不平衡程度相同,不平衡相发生的位置不同,对同一测点的影响程度不一样     

基于损耗分析的大容量高频变压器铁芯材料选型方法

铁芯材料的选择对大容量高频变压器的磁拓扑性能具有决定性影响,而损耗特性最为关键。为此,针对高频方波激励,采用改进的Steinmetz公式分析了变压器3种常用磁性材料即铁氧体、纳米晶和非晶材料的损耗特性与频率、磁通密度的关系,并给出了磁性材料损耗密度的三维表征图。在对损耗密度进行分析的基础上,将铁芯总损耗与高频变压器视在功率的比值定义为损耗因子,并依据损耗因子的三维表征图与实例分析,结合工作频率和体积等因素比较了3种典型磁性材料所制成的铁芯的损耗特性。分析指出,损耗因子是衡量高频变压器损耗特性优劣的重要指标,以最低损耗因子水平结合体积与成本因素进行分析,可作为铁芯材料的具体选择准则。     

500kV变压器直流偏磁下的铁心损耗分析研究

为了研究变压器直流偏磁下的铁心损耗,文章以某一核电站500 k V主变压器为例,在二维有限元瞬态场A–φ算法基础下构造了直流偏磁下的变压器二维仿真损耗模型。在仿真中,偏磁直流量从0 A增加至30 A,可得到变压器铁心的损耗分布。结果分析可表明:随着偏磁直流量的增加,励磁电流会产生畸变和较大的偶次谐波,并导致铁心局部损耗增大,其中:铁心主柱与上、下铁轭交接区域的损耗值受到直流偏磁的影响最大,铁心水平路径的损耗值相较于垂直路径受直流偏磁的影响较大。     

不同占空比下功率变换器磁芯损耗分析与建模

功率变换器中磁芯损耗与励磁波形密切相关。为了有效地评估和预测不同占空比的磁芯损耗,以铁氧体磁芯材料为研究对象,分析影响磁芯损耗的两个重要因素——交流磁通密度峰值和励磁频率,进一步研究磁芯损耗与磁通密度变化率的关系,引入矩形波励磁下磁通密度变化率波形系数的概念,在占空比为0.5时磁芯损耗模型的基础上,对不同占空比工况下磁芯损耗进行建模。最后,采用Origin数据统计分析软件对比了实验数据和所提出模型的计算结果,验证了模型的准确性。