专利名称：用于计算变压器线圈绕组的每段匝数的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于计算变压器线團绕组的每段匝数的方法和装置。
背景技术：
众所周知，电变压器是用来将电能从一个电压电势转换成另 一 电压电 势的工业i殳备。电压变压器具有两个主要组件即芯和线圏。芯由比如钢或 者铁这样的材料制成，并且根据变压器的类型可以具有单个芯柱或者多个 芯柱。变压器的线團由缠绕在芯的一个或者多个芯柱周围以l更形成线團绕 组的传导材料(通常为电线)组成。变压器是根据各种客户规范来制造，而在设计变压器时最困难的任务之一^ii殳计线團。在其最简易形式下，变压器的线團具有单个初级线圏和 单个次级线圏。在复杂的线圏该:计中可以有多个绕组。变压器线围的每个绕组包括在实践中为串联连接电路的某一数目的 段。不同数目的段串联连接以实现不同电压。在许多情况下最少两个段串 联连接以实现最小电压而所有段串联连接以实现最大电压。在设计变压器时的问题之一是为每个绕组段确定传导电线的匝数，即 所谓的每段匝数。变压器设计者使用 一些数学方法来执行以一些简化假设 为基础的此类计算。例如，常常假设段具有统一的构造。这些假设简化了 计算但倾向于引入误差。另外，在本领域的当前状态下，使用不同方程来 计算根据变压器的设计而不同的段的匝数。将这些方程硬编码成软件，而当面临新的变压器设计时应当开发新的方程和向软件添加新的代码。这明 显地要求重新编译和链接代码、然后将代码分发到所有用户，这是一个既 耗时又昂贵的过程。 因此希望提供一种改进对变压器绕组段匝数的计算和增加变压器设 计的整体质量的解决方案。
发明内容
根据本发明，提供一种用于计算包括n个串联连接段(Si， S2，…，Sn) 的变压器线圏绕组的每段匝数(I t2，…，tj的方法。该方法包括-向所述n个段(Si， S2，...， Sn)中的每个段分配代^目应每匝电压 值的预定值(Ri);-向通过所述n个段中的一个或者多个段与从所述n个段中选择的一个参考段(Sn)的串联连接而获得的每个段组合(S广Sn， S广Sn-「Sn，S广S广Sw-Sn，…)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(、V 2，…，Vn);—将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn);-联立地生成(n-1)个未知数的(n-1)个线性方程的方程组，其中 所述(n-1)个未知数代表用于除所述参考段(Sn)之夕卜的所有段的匝数；—联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参 考段(Sn)之外的所有段的匝数。本发明也包括一种用于计算包括Il个串联连接段(Si， S2，…，Sn)的变压器线團绕组的每段匝数t2，…，tn)的系统，该系统包括其中 具有程序代码的计算设备，该程序代码配置用以-向所述n个段(Si， S2，...， Sn)中的每个段分配代勤目应每匝电压 值的预定值(Ri);-向通过所述n个段中的一个或者多个段与从所述n个段本身中选择的一个参考段(Sn)的串联连接而获得的每个段组合(S广Sn， S广Sn-广Sn，S「S2-Sw-Sn，…)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(V!， V 2，…，Vn);—将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn);—联立地生成(n-1)个未知数的(n-1)个线性方程的方程组，其中 所述未知数代表用于除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数；-联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参 考段(Sn)之外的所有段的匝数。一种用于计算包括n个串联连接段(I, S2，…，SJ的变压器线圏绕组的每段匝数(ti， t2，…，U)的计算机程序产品，包括其上具有计算机可用程序代码的计算机可读介质，该计算机可用程序代码配置用以
-向所述n个段(Si， S2，...， Sn)中的每个段分配代^目应每匝电压 值的预定值(Ri);
-向通过所述n个段中的一个或者多个段与从所述n个段本身中选择
的一个参考段(Sn)的串联连接而获得的每个段组合(Sd， S「Sn-「Sn， S「S厂Sn-广Sn，…)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(、V
2，…，Vn);
-将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn);
-联立地生成(n-1)个未知数的(n-1)个线性方程的方程組，其中 所述未知数代表用于除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数；
-联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参 考段(Sn)之外的所有段的匝数。
参照以下描述、所附权利要求和附图将更好地理解本发明的特征、方 面和优点，在附图中
图1是示意性地代表根据本发明用于计算变压器线圏绕组每段匝数 的方法的实施例的示例性流程图2图示了三相电力变压器的组件的例子；
图3图示了根据本发明用于计算变压器线圏绕组每段匝数的示例性 系统；
图4是具有六个串联连接绕组的变压器绕组的示意性表示图。
具体实施例方式
应当注意，为了清楚和简洁地公开本发明，附图可能未必按比例绘制， 而本发明的某些特征可能用有些示意性的形式来示出。
在图1中示出其代表框图的根据本发明的方法能够有利地用于计算 实质上任一类电变压器的变压器绕组的匝数。
图2图示了电变压器的仅一个例子，即通过蒼体标号1来表示的三相 电力变压器。变压器1包括由适当的磁性材料如紋理化硅钢或者非晶形合 金形成的常规叠层芯。该芯包括第一绕组芯柱2、第二绕组芯柱3和第三
绕组芯柱4。该芯还包括上轭5和下辄6。第一、第二和第三绕组芯柱2、 3、 4各自的相对端例如使用适当的粘合剂固定地耦合到上辄5和下轭6。 初级和次级绕组根据各种配置位于相应芯柱周围。例如在图l的例子中， 初级绕组7位于相应第一、第二和第三绕组芯柱2、 3、 4周围。对于每个 芯柱2、 3或者4，次级绕组8和9类似地位于相应初级绕组7周围。具 有数个不同功能的间隔条10可以位于绕组7、 8、 9周围的不同点。例如， 间隔条10可以由绝缘材料形成，以便在绕组匝之间提供用于冷却、支撑 等的某一空间。它们也可以由导电材料形成以便形成绕组的接地系统的一 部分。在图1中没有示出而在下文中也将不描述变压器1的附加结构单元 和功能细节，比如在它的绕组与其它组件如电源、负栽等之间的电连接， 因为它们对于本发明的范围和理解而言不是必要的。
每个变压器绕组，如图2中所示的绕组7、 8、 9，由下文表示为(S1} S2，...， Sn)的数目为n的多个段组成，这些IU:串联连接的电路。各段由 下文称为(ti， t2，…，tn)的某一数目的匝形成，这些匝由导电体制成， 通常为电线或者电缆。串联连接的段(S,， S2，...， Sn)的数目，特别是串 联连接的这些段中各段的匝数(tb t2，…，tn)，确定变压器将能够产生 的一个或者多个实际电压。
为了计算各种段的匝数，变压器设计者启动根据本发明的方法。正如 本领域技术人员将从如下描述中理解的，以根据本发明的方法为基础的软 件算法能够实施于任何适当的计算设备或者系统中，并且能够作为单独组 件来利用，或者与任何其它软件工具相联系地或者甚至与^^T其它软件工 具相集成地来利用，该其它软件工具比如是用于设计电器设备，特别是变 压器，的工具。例如，设计者可以登录到如图3中所示的计算设备ll中， 并且当指令出现在视频接口 12上时，能够借助gl3 (或者鼠标或者等 效设备)来输入所需数据。该算法可以是已经驻留于计算机设备11上， 或者可以由设计者通过计算^序产品如实施各种指令的磁盘来加载。
如图1中所示，在步骤100中，设计者为绕组的n个段(&， S2，…，Sn) 中的各段分配代勤目应每匝电压值的预定值(Ri )。
根据本发明的第 一实施例，相互不同的两个相应预定每匝电压值(Ria) 和(Rib)被分配给数目为n的多个段(&， S2，…，Sn)中的至少两个段的 相应段。其余段(&， S2，…，Sn)各分配有可以与(Ria)或者(Rib)不同 或者相等的相应值(Ri )。
可选地，所有n个段(S,， S2，…，Sn )被分配有相同的每匝电压值(Ri )。
根据本发明的方法还包括步骤101,其中相应预定电压值(Vi， v2，…， Vn)被分配给通过n个段中的一个或者多个段与在n个段本身之中选择的
一个参考段(Sn)的串联连接而获得的每个段组合S广Sn， S广Sn—广Sn， S广S2-Sn-广&等。在实践中，在该步骤101中，设计者输入值V"该值代 表在通过将段Si与参考段Sn串联连接而获得的电路上的期望电压。V2是 设计者所分配的值，该值代表在通过串联连接段ShSn—i和Sn而获得的电
路上的期望电压。V3是分配值，该值代表在通过考虑串联连接的段&、 S2、
Sw和Sn而获得的组合上的电压，等等。
在步骤102中，设计者将预定匝数(U)至少分配给作为参考而选择 的至少段(Sn)。分配给参考段(Sn)的这一预定匝数(U作为前置匝数
的百分比给出，即作为在通过上述段组合S「Sn， S「Sn-「Sn， S广S厂S『广Sn
之一而形成的电漆t一中存在的总匝数的百分比。优选地，分配给参考段 (Sn)的这一预定匝数(tn)作为在通过两个段即段Si和参考段Sn的串联 连接而形成的电路中存在的总匝数的百分比给出。
可选地，分配给参考段(Sn)的匝数(U可以直接是前置数值。 预定每匪电压值(Ri)、分配给参考段(Sn)的预定匝数(tn)和分配
给上述段组合S「Sn，S广Sn-广Sn，S广S广Sn-广Sn等的各个电压值(V" V2，...， Vn)由设计者基于客户要求和/或基于设计者实践经验来选择，并且易于 为本领域技术人员所知。
正如本领域技术人员所能理解的，在根据本发明的方法中，能够以任
何次序来实现前述步骤100、 101和102。例如，能够组织指令以^f更要求 设计者先输入在每个^J且合上的电压值Vi、然后将每匝电压值(Ri)分配
给各段等。
在步骤100、 101和102之后，该方法包括步骤103，其中例如通过 计算设备ll的处理单元来生成(n-l)个未知数的(n-1)个线性方程的 方程组。特别地，(n-l)个方程是联立地生成的。该(n-l)个未知数代 表用于除参考段(Sn)以外的所有n个段的匝数。
优选地，n个未知数的(n-l)个线性方程的方程组包括以下方程
<formula>formula see original document page 9</formula>
最后，在步骤104中，联立地求解(n-1)个线性方程的方程组，由 此确定除参考段(SJ以外的n个段中的各段的匝数。例如，借助计算设 备ll的处理单元，通过用于不同段的算法来计算匝数。
优选地，在根据本发明的方法中，借助增广矩阵和高斯消元法来求解 (n-l)个联立线性方程的方程组。
相应地，使用增广矩阵和高斯消元法来求解上述方程组得到以下矩阵 约简(为求简明，这里仅示出了使用3个电压)
<formula>formula see original document page 10</formula>以上矩阵将按照箭头所示的过程来处理。
下文将给出使用本发明的方法计算如图4中示意性地表示的变压器 线圏绕组的匝数的两个数字例子。
如图4中所示，示例性绕组20包括六个段&、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6。 如果在绕组20的各个段之中会有一个中间段(break segment),这在一 些实际应用中发生，但不在以下例子中发生，这一中间段并不参与电路， 因此在计算中不予以考虑或者对计算没有影响，因为只有其余段将对于产 生期望的电压而言是有用的。
上述六个段形成以下五个电路
电路l:通过串联连接段&和S6而形成； 电路2:通过串联连接段&， Ss和S6而形成； 电路3:通过串联连接段Si， S2， Ss和S6而形成； 电路4:通过串联连接段Si， S2, S4， Ss和S6而形成； 电路5:通过串联连接段&， S2， S3， S4， Ss和S6而形成。 在这一例子中所有六个段分配有相同的每匝电压值Ui)，例如R产7。 另外，段S6将是参考段，而设计者向它分配一等于电路l匝数的50%的
匝数，该电路l即通it^接段&和段S6而形成的电路。
基于客户要求，设计者分配的在上述五个段组合中每个段组合上的期 望电压分别为Vi-9000、 V2=9500、 V3=10000、 V4-IO5OO和Vs=11000。
这样，可以计算匝数S"由于在电路l上的电压是Vi-9000而50% 的匝在Ss中，所以S6对贡献电压^的50%,等于4500伏特。将这一值 除以R-7,获得值642. 85，表示用于S6的准确匝数值t6。显然，由于匝 只能具有整数，所以计算值取整为643匝。这一值t产643能够用来生成 将联立地求解的五个方程的方程组
方程l: 1x7=9000 643x7=4499 方程2: Lx7+t5x7-9500 643x7=4999 方程3: Lx7+t2x7+t5x7-10000 643x7=5499 方禾呈4: Lx7+t2x7+t4x7+t5x7-10500 643x7=5999 方禾呈5: Lx7+t2x7+t3x7+t4x7+t5x7-11000 643x7-6499 通过使用增广矩阵和高斯消元法来联立地求解上述方程组得到以下 结果(方程1) t产642. 7 (当取整时等于643匝)；(方程2 ) t产71. 1，将 取整为71匝；(方程3)t产71.6，将取整为72匪；(方程4 ) t4=71 (取整) 匝；(方程5) t5=71.4 (取整为71)匝。
因此，绕组20总计具有643+643+71+72+71+71=1571匝。
有可能检查通过乘以电路中的总匝数而进行的计算以查看将实际地 获得一个或者多个什么电压值
电路l: 643+643=1286匪。将这一数字乘以7(每匪电压值)得到9002 伏特；
电路2: 643+643+71 =1357匪。将这一数字乘以7 (每匪电压值)得 到9499伏特；
电路3: 643+643+71+72=1429匪。将这一数字乘以7 (每匪电压值) 得到10003伏特；
电路4: 643+643+71+72+71=1500匪。将这一数字乘以7 (每匪电压 值)得到10500伏特；
电路5: 643+643+71+72+71+71=1571匪。将这一数字乘以7 (每匪 电压值)得到10997伏特。
因此根据上文不言而喻,根据本发明的方法允许计算很接近理想期望 值的实际电压。
现在将给出用于为变压器绕组20的段计算匝数的第二例子，其中每 匝电压值并不对于所有段而言都是相同的。例如，设计者向段&和S6分 配每匪电压值11=7。对于段S2和Ss， R将等于6. 5。对于段S3和S4， R分 配为等于6。同样在这一例子中，设计者分配的在上iti个段组合中每个段组合上 的期望电压分别为Vi=9000、 V2=9500、 V3=10000、 V4-10500和V5=11000。 类似地，段S6是参考段，设计者向它分配与电路1 (即通过段^和段S6 的连接而形成的电路)的匝数的50%相等的匝数。通过与在前例中一样进行，可以计算匝数t产643 (取整)并且具有以 下五个方程的方程组方程l: 1x7=9000 一 643 x 7-4499 方程2: 7+t5x 6. 5=9500 - 643 x 7-4999 方程3: Lx 7+t2x 6.5+t5x 6. 5=10000 — 643 x 7-5499 方程4: tA 7+t2x 6.5+t4x 6+t5x 6. 5=10500 — 643 x 7=5999 方程5: 7+t2x 6.5+t3x 6+t4x 6+t5x 6. 5=11000 — 643 x 7=6499 通过使用增广矩阵和高斯消元法来联立地求解上述方程组得到以下 结果(方程1) t产642. 7 (当取整时等于643匝)；(方程2 ) t产76. 6，将 取整为77匝；(方程3) t产76.5，将取整为77匝；(方程4) t产82.8，取 整为83匝；(方程5)t产83.1,取整为83匝。在这一情况下，绕组20总计具有643+643+77+77+83+83=1606匝。可以检验计算结果如下电路l: 643 x 7+643 x 7=9002伏特。 电路2: 643 x 7+643 x 7+77 x 6. 5 =9502. 5伏特。 电路3: 643 x 7+643 x 7+77 x 6. 5+77 x 6. 5=10003伏特。 电路4: 643 x 7+643 x 7+77 x 6. 5+77 x 6. 5+83 x 6=10501伏特。 电路5: 643 x 7+643 x 7+77 x 6. 5+77 x 6. 5+83 x 6+83 x 6-10999伏特。 同样在这一情况下，这一检验证实了实际计算值相对于期望值而言的 有效性。根据以上描述，显然根据本发明的方法允许在计算变压器绕组每段匝 数时更通用和灵活的方式，以及允许在段的^如每匝电压值在各种段之 间变化时也具有可靠结果。具体而言，通过使用联立方程，该方法将匝数 的计算一般化，因此当开发新的设计时无需将新的方程硬编码成软件，进 而无需重新编译和重新链接软件并且也不要求重新分发软件给用户。正如本领域技术人员将理解的，以及如前文提到的，本发明可以实施为或者采用前述方法的形式、具有配置为实现上述^Mt的程序代码的计算 设备或者系统的形式、在具有实施于计算机可用或者计算机可读介质之中 的计算机可用程序代码的计算机程序产品的形式。该计算机可用或者计算 机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或者传输供指令执行系统、 装置或者设备使用或者结合指令执行系统、装置或者设备来4吏用的程序的 任何介质，并且可以例如是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或者半导 体系统、装置、设备或者传旨质或者甚至是其上印制有程序的纸张或者 其它适当介质。计算机可读介质的更多具体例子(非穷举性的列举)将包括便携计算机盘、硬盘、随M取存储器(RAM)、只读存储器(R0M)、 可擦除可编程只读存储器(EPR0M或者闪存)、光纤、便携光盘只读存储 器(CD-ROM)、光存>|^殳备、传输介质如支持因特网或者内部网的传输介 质、或者磁存^i殳备。用于实现本发明的操作的计算枳4呈序代码或者指令 可以用任何适当编程语言来编写，只要它允许实现前述技术结果即可。程 序代码可以完全地在用户的计算设备上执行、作为独立软件包而部分地在 用户的计算设备上执行、部分地在用户的计算机上而部分地在远程计算机 上执行、或者完全地在远程计算机或者服务器上执行。在后一方案中，远 程计算机可以通过局域网(LAN)或者广域网(WAN)连接到用户的计算机， 或者可以实现到外部计算机的连接(例如使用因特网服务提供商通过因特 网)。应当理解，对前述一个或者多个示例性实施例的描述旨在于仅^U兌明 而不是穷举本发明。本领域技术人员将能够对公开主题的一个或者多个实 施例进行某些添加、删除和/或修改而不脱离如所附权利要求限定的本发 明的精神或者本发明的范围。
权利要求
1. 一种用于计算包括n个串联连接的段(S1，S2，...，Sn)的变压器线圈绕组的每段匝数(t1，t2，...，tn)的方法，该方法包括为所述n个段(S1，S2，...，Sn)中的每个段分配代表相应的每匝电压值的预定值(Ri)；为通过所述n个段中的一个或者多个段与从所述n个段中选择的一个参考段(Sn)的串联连接而获得的每个段组合(S1-Sn，S1-Sn-1-Sn，S1-S2-Sn-1-Sn，...)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(V1，V2，...，Vn)；将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn)；联立地生成(n-1)个未知数的(n-1)个线性方程的方程组，其中所述(n-1)个未知数代表除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数；联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数。
2. 如权利要求1所述的方法，其中借助增广矩阵和高斯消元法来求 解所述(n-1)个线性方程的方程组。
3. 如权利要求l所述的方法，其中所述n个段(Si， S2，...， Sn)中 的至少两个段被分配以相互不同的两个相应预定每匝电压值(Ri)。
4. 如权利要求l所述的方法，其中所有所述n个段(Si， S2，…，Sn) 被分配以相同的每匝电压值(Ri)。
5. 如权利要求1所述的方法，其中分配给所述参考段(Sn)的所述 预定匝数(tn)按照在所述段组合之一中存在的匝数的百分比来给出。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述n个未知数的(n-l)个线性 方程的方程组包括以下方程<formula>formula see original document page 2</formula>
7. —种用于计算包括n个串联连接的段(S1} S2，…，SJ的变压器线團绕组的每段匝数(ti，t2，…，tn)的计算机程序产品，包括其上具有计算机可用程序代码的计算机可读介质，该计算机可用程序代码配置 为为所述n个段(&， S2，…，Sn)中的每个段分配代勤目应每匝电压值 的预定值(Ri);为通过所述n个段中的 一个或者多个段与从所述n个段本身中选择的一个参考段(Sn )的串联连接而获得的每个段组合(S「Sn， S「Sn-「Sn， S广S广Sn-厂Sn，…)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(、，V…Vn);将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn);联立地生成(n-l)个未知数的(n-1)个线性方程的方程组，其中所 述未知数代表除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数；联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数。
8. 如权利要求7所述的计算机程序产品，其中所述计算机可用程序 代码配置为借助增广矩阵和高斯消元法来求解所述(n-1)个线性方程的 方程组。
9. 如权利要求7所述的计算;l^序产品，其中所述计算机可用程序 代码配置为给所述n个段(I, S2，...， Sn)中的至少两个段分配相互不同 的两个相应的预定每臣电压值(Ri)。
10. 如权利要求7所述的计算;t^序产品，其中所述计算机可用程序 代码配置为给所有所述n个段(Si， S2，…，Sn)分配相同的每匝电压值(Ri)。
11. 如权利要求7所述的计算机程序产品，其中所述计算机可用程序 代码配置为按照在所述段组合之一中存在的匝数的百分比来分配所述参 考段(Sn)的所述预定匪数(tn)。
12. —种用于计算包括n个串联连接的段(S" S2,…，SJ的变压器 线圏绕组的每段匝数(L， t2，， tn)的系统，该系统包括其中具有程 序代码的计算i更备，该程序代码配置为为所述n个段(Si， S2，...， Sn)中的每个段分配代W目应每匝电压值 的预定值(Ri);为通过所述n个段中的 一个或者多个段与从所述n个段本身中选择的一个参考段(Sn )的串联连接而获得的每个段组合(S「Sn， S广Sw-Sn， S广S广Sn-广Sn，…)分配代表在每个所述组合上的电压的相应预定值(Vi, V2，…，Vn);将预定匝数(tn)分配给至少所述参考段(Sn);联立地生成(n-1)个未知数的(n-1)个线性方程的方程组，其中所 述未知数代表除所述参考段(Sn)之外的所有段的匝数；联立地求解所述(n-1)个线性方程的方程组，由此确定除所述参考 段(Sn)之外的所有段的匝数。
13. 如权利要求12所述的系统，其中所述计算机可用程序代码配置 为借助增广矩阵和高斯消元法来求解所述(n-1)个线性方程的方程组。
14. 如权利要求12所述的系统，其中所述计算机可用程序代码配置 为给所述n个段(Si， S2，…，Sn)中的至少两个段分配相互不同的两个相 应的预定每匝电压值(Ri)。
15. 如权利要求12所述的系统，其中所述计算机可用程序代码配置 为给所有所述n个段(&， S2，…，Sn)分配相同的每匝电压值(Ri)。
16. 如权利要求12所述的系统，其中所述计算机可用程序代码配置 为按照在所述段组合之一中存在的匝数的百分比来分配所述参考段(Sn) 的所述预定匝数(tn)。
全文摘要
一种用于计算具有多个串联连接的段的变压器线圈绕组的每段匝数的方法和装置。通过向段分配与客户要求有关的预定义参数来计算每段匝数。然后自动地生成线性方程组并且联立地求解方程。
文档编号G01R29/00GK101398448SQ200710151720
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月27日 优先权日2007年9月27日
发明者大卫·科克斯 申请人:Abb研究有限公司