CN100545966C - 缓谐波节能变压器 - Google Patents

Abstract

缓谐波节能变压器涉及一种基于相移原理的具有谐波抑制、节能的电力变压器。该变压器的一次侧绕组采用D联结，二次侧绕组采用双输出的Z联结，即将所述二次侧绕组分成第一组绕组(A1)和第二组绕组(A2)，第一组绕组(A1)包括第一相绕组(a1)、第二相绕组(b1)和第三相绕组(c1)；第二组绕组(A2)包括第四相绕组(a2)、第五相绕组(b2)和第六相绕组(c2)；缓谐波节能变压器能够抑制3倍次谐波和消除5、7、17、19倍次谐波，同时可以削弱谐波电流和由此引起的一、二次侧绕组耦合磁通及一次侧绕组环流，减小变压器的杂散损耗，能够极大的改善二次侧谐波对其一次侧电网造成的影响。

Description

缓谐波节能变压器

技术领域

本发明涉及一种缓谐波节能变压器，特别涉及一种基于相移原理的具有谐波抑制、节能的电力变压器。

背景技术

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节都会产生一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。谐波的产生主要由下列几个原因引起：(1)输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。(2)用电设备产生的谐波：如：晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、电石炉、气体放电类电光源以及各式各样的家用电器。其中用电设备产生的谐波最多。

电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：

(1)对供配电线路的危害，(2)对电力设备的危害，(3)对用电设备的危害，(4).影响电力测量的准确性，(5).谐波对人体有影响。

高次谐波对电力系统和用户都产生了比较大的影响。而随着非线性用户的增加，高次谐波将越来越严重，所以必须抑制电力系统的高次谐波。抑制电力系统高次谐波的方法很多，常用的有以下几种：

(1)增加换流装置的相数或脉冲数

(2)加装动态无功补偿装置

(3)加装滤波装置

增加换流装置的橡树无疑增加了设备的复杂性和设备的成本，降低了设备的可靠性。

加装动态无功补偿装置的方法是利用电力电子装置实现的，由于电力电子器件的容量小、成本高、可靠性低，且不同谐波源需要采用不同补偿策略，再者还可能引发系统的稳定问题，因此各国对此技术还保持着一定的谨慎态度。所以目前的谐波抑制方法还是以加装无源滤波装置的静态抑制方法为主。

无源滤波装置是利用电感电容对谐波的谐振来消除谐波，谐振时谐回路阻抗很小，电流很大，损耗增加，而且会引起电抗器的振动和噪音。

很多独立电力系统都有多个不同电压等级的电网，各种电压等级的电网为不同的负载供电，各具特色。电力电子装置的广泛使用，往往会导致某一电压等级的电网中电能质量的下降，特别是谐波含量大。为了使某一电压等级的电网中的谐波不对其他电压等级的电网造成影响，需要对谐波进行抑制或者隔离。清华大学的王善铭发明了基于谐波倒相的具有谐波抑制功能的电力变压器，它包括：两台容量、变比完全相同的独立电力变压器，由电感、电容串联组成的谐波倒相电路，并联于电网两端。该发明直接利用不同电压等级电网之间本身就存在的变压器，加入谐波倒相电路，使得谐波得以抑制。但是由于必须采用两台相同容量的变压器，并加入谐波倒相电路使得成本较高。为了降低成本，简化变压器制造工艺，提出了本发明。本发明利用不同电压等级的电网之间本来存在的变压器，采用相移技术，使得谐波得以抑制，避免某一电网的谐波对其他电压等级电网的负载造成影响，实现相互隔离。本发明利用电网本身具有的电力变压器，仅仅在二次测绕组的联结方式上采用了双输出的Z联结，避免了不同电压等级的电网之间谐波的影响，具有结构简单，设备少，成本低，可靠性高，不存在大的谐振电流，以及变压器自身杂散损耗小等优点。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种缓谐波节能变压器，利用该缓谐波节能变压器削弱变压器二次侧负荷中的谐波电流对一次侧电网的影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：所述变压器的二次侧绕组采用双输出的曲折形联接，即将所述二次侧绕组分成第一组绕组(A1)和第二组绕组(A2)，第一组绕组(A1)包括第一相绕组(a1)、第二相绕组(b1)和第三相绕组(c1)；第二组绕组(A2)包括第四相绕组(a2)、第五相绕组(b2)和第六相绕组(c2)；其中第一组绕组(A1)中的第一相绕组(a1)的上半部分尾端(a1a)与第二相绕组(b1)的下半部分首端(b1b)反接串联组成第一输出相(a11)，依次类推，得到第二输出相(b11)和第三输出相(c11)，将所述第一相绕组(a1)、第二相绕组(b1)、第三相绕组(c1)绕组的下半部分尾端连在一起，引出第一中性线(n1)；将第二组绕组(A2)中的第四相绕组(a2)的上半部分尾端(a2a)和第六相绕组(c2)的下半部分首端(c2b)反接串联组成第四输出相(a21)，依次类推，得到第五输出相(b21)和第六输出相(c21)，将第四相绕组(a2)、第五相绕组(b2)、第六相绕组(c2)的下半部分尾端连在一起，引出第二中性线(n2)；第一输出相绕组(a11)的输出电压与第四输出相绕组(a21)的输出电压相角相差30度，第二输出相绕组(b11)的输出电压与第五输出相绕组(b21)的输出电压相角相差30度，第三输出相绕组(c11)的输出电压与第六输出相绕组(c21)的输出电压相角相差30度，第一输出相绕组(a11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第四输出相绕组(a21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第二输出相绕组(b11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第五输出相绕组(b21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第三输出相绕组(c11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第六输出相绕组(c21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，每一个输出在不同铁心柱上反串联的匝数需要满足 $W_1=\sqrt{\frac{2}{3}}{N}_2,$ $W_2=(\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{1}{\sqrt{6}})N_2,$ W₁为上半部分的匝数，W₂为下半部分匝数，N₂为二次侧绕组的额定等效匝数。

在本发明的一个优选实施例中，所述变压器为三柱两框结构。

在本发明的一个优选实施例中，所述一次侧绕组和所述二次侧绕组的输出容量、变比、绕向完全相同。

在本发明的一个优选实施例中，所述一次侧绕组和所述二次侧绕组的输出容量分别为所述变压器额定容量的一半。

有益效果：缓谐波节能变压器能够抑制3倍次谐波和消除5、7、17、19倍次谐波，同时可以削弱谐波电流和由此引起的一、二次侧绕组耦合磁通及一次侧绕组环流，减小变压器的杂散损耗，能够极大的改善二次侧谐波对其一次侧电网造成的影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是缓谐波节能变压器的二次侧绕组联结示意图；

图2是缓谐波节能变压器电压矢量图；

图3是缓谐波节能变压器的二次侧绕组每个输出的上、下(或内、外)两部分匝数与二次侧额定匝数间的向量关系图。

具体实施方式

图1是缓谐波节能变压器的二次侧绕组联结示意图。所述变压器的一次侧绕组采用三角形联接，所述变压器的二次侧绕组采用双输出的曲折形联接，即将所述二次侧绕组分成第一组绕组A1和第二组绕组A2，第一组绕组A1包括第一相绕组a1、第二相绕组b1和第三相绕组c1；第二组绕组A2包括第四相绕组a2、第五相绕组b2和第六相绕组c2；其中第一组绕组A1中的第一相绕组a1的上半部分尾端a1a与第二相绕组b1的下半部分首端b1b反接串联组成第一输出相a11，依次类推，得到第二输出相b11和第三输出相c11，将所述第一相绕组a1、第二相绕组b1、第三相绕组c1绕组的下半部分尾端连在一起，引出第一中性线n1；将第二组绕组A2中的第四相绕组a2的上半部分尾端a2a和第六相绕组c2的下半部分首端c2b反接串联组成第四输出相a21，依次类推，得到第五输出相b21和第六输出相c21，将第四相绕组a2、第五相绕组b2、第六相绕组c2的下半部分尾端连在一起，引出第二中性线n2；第一输出相绕组a11的输出电压与第四输出相绕组a21的输出电压相角相差30度，第二输出相绕组b11的输出电压与第五输出相绕组b21的输出电压相角相差30度，第三输出相绕组c11的输出电压与第六输出相绕组c21的输出电压相角相差30度，第一输出相绕组a11的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第四输出相绕组a21的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第二输出相绕组b11的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第五输出相绕组b21的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第三输出相绕组c11的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第六输出相绕组c21的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，每一个输出在不同铁心柱上反串联的匝数需要满足 $W_1=\sqrt{\frac{2}{3}}{N}_2,$ $W_2=(\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{1}{\sqrt{6}})N_2,$ W₁为上半部分的匝数，W₂为下半部分匝数，N₂为二次侧绕组的额定等效匝数。

所述变压器为三柱两框结构。

所述一次侧绕组和所述二次侧绕组的输出容量、变比、绕向完全相同。

所述一次侧绕组和所述二次侧绕组的输出容量分别为所述变压器额定容量的一半。

图2为每一相输出的电压矢量图，第一个输出的电压相角超前同相一次侧电压15度，第二个输出电压相角滞后同相一次侧电压15度。

设变压器的一次侧和二次侧的相电压之比为U_1e/U_2e，一次侧的额定分接匝数为N₁，则二次侧绕组的额定等效匝数为 $N_2=\frac{U_{2e}}{U_{1e}}{N}_1,$ 针对同相双输出相角之间的30度移相，每个输出的上下(或内外)两部分匝数与二次侧额定匝数满足图3所示的向量图。从而可以求得每个输出的上(或内)部分匝数W₁和下(或外)部分匝数W₂

W₁ ²+W₂ ²-2*W₁*W₂*cos(120°)＝N₂ ²

W₁ ²+N₂ ²-2*W₁*N₂*cos(15°)＝W₂ ²

N₂ ²+W₂ ²-2*N₂*W₂*cos(45°)＝W₁ ²

$W_1=\sqrt{\frac{2}{3}}{N}_2$

$W_2=(\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{1}{\sqrt{6}})N_2$

每一个输出在不同铁心柱上反串联的匝数需要满足 $W_1=\sqrt{\frac{2}{3}}{N}_2,$ $W_2=(\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{1}{\sqrt{6}})N_2.$

设二次侧的负载电流为I，对于二次侧绕组在a相铁心柱上产生的合成磁势F为

F＝F₁₁+F₂₁+F₁₂+F₂₂

F₁₁表示a相第一个输出上部分线圈产生的磁势，F₁₂表示c相第一个输出下部分线圈产生的磁势，F₂₁表示a相第二个输出上部分线圈产生的磁势，F₂₂表示b相第二个输出下部分线圈产生的磁势。

F₁₁＝I·W₁sin(2πfkt)

$F_{21}=I\·W_1\sin (2\mathrm{\πfkt}+\frac{\mathrm{\π}}{6}k)$

$F_{12}=I\·W_2\sin (2\mathrm{\πfkt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3}k)$

$F_{22}=I\·W_2\sin (2\mathrm{\πfkt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3}k+\frac{\mathrm{\π}}{6}k)$

当谐波次数k＝5、7、17、19时，合成磁势F为0，高次谐波不能产生同时交链一、二次侧的主磁通，从而可以抑制二次侧的谐波分量对一次侧电网的影响。

Claims (2)

1、一种缓谐波节能变压器，其特征在于：所述变压器的一次侧绕组采用三角形联接，所述变压器的二次侧绕组采用双输出的曲折形联接，即将所述二次侧绕组分成第一组绕组(A1)和第二组绕组(A2)，第一组绕组(A1)包括第一相绕组(a1)、第二相绕组(b1)和第三相绕组(c1)；第二组绕组(A2)包括第四相绕组(a2)、第五相绕组(b2)和第六相绕组(c2)；其中第一组绕组(A1)中的第一相绕组(a1)的上半部分尾端(a1a)与第二相绕组(b1)的下半部分首端(b1b)反接串联组成第一输出相(a11)，依次类推，得到第二输出相(b11)和第三输出相(c11)，将所述第一相绕组(a1)、第二相绕组(b1)、第三相绕组(c1)绕组的下半部分尾端连在一起，引出第一中性线(n1)；将第二组绕组(A2)中的第四相绕组(a2)的上半部分尾端(a2a)和第六相绕组(c2)的下半部分首端(c2b)反接串联组成第四输出相(a21)，依次类推，得到第五输出相(b21)和第六输出相(c21)，将第四相绕组(a2)、第五相绕组(b2)、第六相绕组(c2)的下半部分尾端连在一起，引出第二中性线(n2)；第一输出相绕组(a11)的输出电压与第四输出相绕组(a21)的输出电压相角相差30度，第二输出相绕组(b11)的输出电压与第五输出相绕组(b21)的输出电压相角相差30度，第三输出相绕组(c11)的输出电压与第六输出相绕组(c21)的输出电压相角相差30度，第一输出相绕组(a11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第四输出相绕组(a21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第二输出相绕组(b11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第五输出相绕组(b21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，第三输出相绕组(c11)的输出电压相角超前同相一次侧绕组的侧电压15度，第六输出相绕组(c21)的输出电压相角滞后同相一次侧绕组的侧电压15度，每一个输出在不同铁心柱上反串联的匝数需要满足 $W_1=\sqrt{\frac{2}{3}}{N}_2,$ $W_2=(\frac{\sqrt{2}}{2}-\frac{1}{\sqrt{6}})N_2,$ W₁为上半部分的匝数，W₂为下半部分匝数，N₂为二次侧绕组的额定等效匝数。

2、如权利要求1所述的缓谐波节能变压器，其特征在于，所述变压器为三柱两框结构。

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