CN101635198B - 一种36脉波大功率变频整流变压器 - Google Patents

Abstract

本发明一种36脉波大功率变频整流变压器，包括设于支架上的采用Y形接法的三相输入初级绕组和采用外延三角形接法移相的次级绕组，所述的次级绕组分三个群组，其中每个群组包括6个移相组，其移相角分别为+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°，各移相组角差10°，每相由若干个功率单元串联而成，三相次级输出相邻相之间互差10°，该6个移相组由三相不同时序脉冲控制触发可控硅IGBT得到正负各18脉波；该每个移相组有3个抽头，则每个群组共有18个抽头对应连接设置于支架一侧的输出线排，共有三组输出线排用于连接变频器；本发明能达到＜5％网侧电流谐波泄放，且结构紧凑、体积小，安装简单、现场配线少、调试方便。

Description

一种36脉波大功率变频整流变压器

技术领域

本发明涉及一种整流变压器，尤其是与36脉波大功率变频器配套的整流变压器。

背景技术

国际性的能源危机，使高效节能技术和设备系统有了需求的迫切性，另一方面，电力电子技术出现了突破，从整流阶段发展到逆变器阶段，为实现功率调节串级调整等系统，节能提供了实现技术的可能，80年代变频器技术作为一种节能技术开始在主要工业化国家中得到广泛运用。变频不但起节能作用还起到精密工艺控制的作用。变频器调速具有调速范围广，调速精度高，动态响应好等优点。

同时具备矢量控制和能量回馈等高级功能的高压变频器已被广泛应用于电力、石油、石化、冶金、化工、市政、供水、矿山、有色、水泥、纺织、造纸、印染、船舶、铁路等多个行业，在环保节能意识提高，国家政策推动和企业经济利益的驱动下，高压变频应用的广度和深度正日益得到提高，行业进入爆发性增长时期，中国的发电总量的66％消耗在电动机上，根据《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》中预测高压变频的潜在市场高达1015亿元。

以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。

由于高压大功率变频器在国内各行业取得可喜的节能效果，成为国家发改委重点推广的十大工程之一，但其输入整流电流谐波泄放成为一大危害。谐波的危害众所周知，配电电缆、变压器谐波容易使电网或燃油发电机产生局部的并联或串联谐振，产生附加损耗，使噪音增大，会造成空气开关、继电器和接触器等误动作、发电机喘振等不良后果，降低发电、输电设备利用率，谐波也对周围环境产生电磁干扰，影响通讯质量和设备的正常工作，使常规电气仪表测量不准确，从而造成电网的严重污染。

发明内容

有鉴于上述问题，本发明的目的在于提出一种降低变频器往电网泄放谐波的整流变压器，能减少高压高性能大功率变频器对电网谐波泄放的污染。

本发明一种36脉波大功率变频整流变压器，包括设于支架上的采用Y形接法的三相输入初级绕组和采用外延三角形接法移相的次级绕组，所述的次级绕组分三个群组，其中每个群组包括6个移相组，其移相角分别为+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°，各移相组角差10°，每相由若干个功率单元串联而成，三相次级输出相邻相之间互差10°，该6个移相组由三相不同时序脉冲控制触发可控硅或功率开关器件IGBT得到正负各18脉波；该每个移相组有3个抽头，则每个群组共有18个抽头对应连接设置于支架一侧的输出线排，共有三组输出线排用于连接变频器。

本发明一种36脉波大功率变频整流变压器采用多重化设计，把变频器的中压分解成多组电压叠加，使功率器件可选用低压大电流的器件，降低变频器件成本，提高变频器可靠性。该初级绕组采用Y形接法，绕成筒式线圈；该次级绕组采用饼式线圈，用母线夹作饼间绝缘，使散热设计取得良好的效果，采用饼式线圈加上纠结换位技术有效地使18个次级绕组形成的短路阻抗值比较接近；本发明能达到变频器＜5％网侧电流谐波泄放，且结构紧凑、体积小，安装简单、现场配线少、调试方便。

附图说明

图1为本发明的36脉波整流变原理框图；

图2为本发明的工作原理方框图；

图3为图2中分相功率单元的串联图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明中36脉波矢量图；

图6为本发明中a群中6个移相组和18个功率单元的接线示意图；

图7至图12分别为本发明中a群中的±25°，±15°，±5°矢量合成的移相相角示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

针对多重化、高压、变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器，与之配套的36脉波整流变压器原理框图如图1所示。为了得到所需的一定数值的高电压，变压器1的每相输出需由多个功率单元21串联而成，该功率单元数的多少视电压高低而定，本发明以每相为6个功率单元，三相共18个功率单元为例，每个功率单元承受全部的电机电流、1/6的相电压、1/18的输出功率。该18个功率单元在变压器1上共有三相输入绕组。该功率单元之间及变压器二次绕组11之间相互绝缘。

如图2所示，本发明的变压器1在一次侧采用星形Y接法，为三相输入绕组；二次侧采用多重化外延三角形接法移相，目的是降低变频器功率器件电压，加大其电流，降低整机变频器成本，降低输入电流的谐波成分。所述的变压器1的次级绕组12共分a群、b群和c群三个相同结构的群组2，本实施例以a群为例来说明，其中a群包括6个移相组22，其移相角分别为+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°，各移相组22角差10°，每相由6个功率单元串联而成，如图3所示，则变压器1二次侧每相需有6组次级绕组12，三相输出共有18个次级绕组构成36脉波，相邻相之间互差10°，该6个移相组22由三相不同时序脉冲控制触发可控硅IGBT，得到正负各18脉波，从而获得36脉波。如图5所示，其中，延边三角联接方式分为正序联法和逆序联法。由于正序联法，其移相角是顺时针方式，称为负角度；逆序联法时，其移相角是逆时针方式，称为正角度，无论是正序联法，还是逆序联法，结三角时均为0°，可将正序联结称为-0°，反序联法称为+0°。

下面我们来研究a群组2的移相，如图5所示。图中右侧标号①至⑥为6个采用外延三角形联接的三相移相组22。图中a柱、b柱和c柱对应三相中的A相、B相和C相，以①移相组22为例，左侧为3个功率单元ula、vla、wla的接线示意图，功率单元ula中有1、2、3三个接线点，接线点1为抽头点，则每个移相组22有3个抽头，a群组3有18个抽头，变压器1就有54个抽头提供给变频器连接。

a群2中的±25°，±15°，±5°矢量合成构成的移相相角如图6至图11所示，根据各移相角度计算出模量、设计其相应的匝数，并按Yd1和Yd11不同接法，由相角的代数和分别得到±25°，±15°，±5°6组移相组22。由三相不同时序脉冲控制触发可控硅IGBT则得到正负各18脉波，从而获得36脉波。

图3所示，为本发明的结构示意图。本发明一种36脉波大功率变频整流变压器1，主要包括支架101、初级线圈102、次级线圈103、铁芯104、a群组输出线排105、b群组输出线排106和c群组输出线排107；所述的初级线圈102、次级线圈103和铁芯104在支架101上组成三个单相柱，该铁芯104由7阶斜接缝芯片组片，铁芯柱从里到外，每叠不同片数组成，引导高频磁通均布，能减少铁损，降低整流噪音；该初级线圈102采用Y形接法，绕成筒式线圈，并加纵向均布撑条做风道散热；该次级线圈103采用饼式线圈，饼间留风通散热，用母线夹108作饼间绝缘，该次级线圈103按A、B、C三个群组分段绕制，各群组中的该饼式线圈短路阻抗接近；在支架101的一侧对应次级线圈103的三个群组分别设有a群组输出线排105、b群组输出线排106和c群组输出线排107，提供给变频器连接；支架101底部设有装箱支架109便于装箱，运输方便；该装箱支架109上设有落地万向轮110可以使整机推着移动。

本发明的次级线圈各绕组间相互间存在一个小的相位差，这可以消除各功率单元产生的大多数谐波电流，因而，基波电流是正弦波，网侧输入功率因数可保持在0.95以上。

我们来研究整流电路，通过数学推导得出整流电路通用公式：

$u_{\mathrm{d\α}}=U_{d0}[1-\underset{n=\mathrm{mk}}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\cos \mathrm{k\π}}{n_2-1}\cos \mathrm{n\ωt}]$

当取m＝2，代入公式

$u_{\mathrm{da}}=\sqrt{2}{u}_2\frac{2}{\mathrm{\π}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{2}[1+\frac{2}{2\×4}\cos 2\mathrm{\ωt}+\frac{2}{3\×5}\cos 4\mathrm{\ωt}+\frac{2}{5\×7}\cos 6\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Λ}]$

当m＝6，代入公式

$u_{\mathrm{da}}=\sqrt{2}{u}_{2L}\frac{6}{\mathrm{\π}}\sin \frac{\mathrm{\π}}{6}[1+\frac{2}{5\×7}\cos 6\mathrm{\ωt}+\frac{2}{11\×13}\cos 12\mathrm{\ωt}+\frac{2}{17\×19}\cos 18\mathrm{\ωt}+\frac{2}{23\×25}+\cos 24\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Λ}]$

从上面表达式中可知相数m的增加使得谐波中最低次谐波的频率增加，同时其幅值迅速减小，这个结论对大功率整流器结构选择有重要的指导意义。从12脉波整流富里哀级数展开可看到两个整流桥，谐波互相抵消，只剩下12K±1次，K为正整数，对36脉波只剩下36K±1次，36脉波以上的脉波对谐波的抑制，已不起多大作用，所以选用36脉波，可得到最大的性价比。

本发明一种36脉波大功率变频整流变压器采用多重化设计，把变频器的中压分解成多组电压叠加，使功率器件可选用低压大电流的器件，降低变频器件成本，提高变频器可靠性。该初级绕组采用Y形接法，绕成筒式线圈；该次级绕组采用饼式线圈，用母线夹作饼间绝缘，使散热设计取得良好的效果，采用饼式线圈加上换位技术有效地使18个次级绕组形成的短路阻抗值比较接近。本发明能达到＜5％网侧电流谐波泄放，且结构紧凑、体积小，安装简单、现场配线少、调试方便。

Claims (2)

1.一种36脉波大功率变频整流变压器，包括设于支架上的采用Y形接法的三相输入初级绕组和采用外延三角形接法移相的次级绕组，其特征在于：所述的次级绕组分三个群组，其中每个群组包括6个移相组，其移相角分别为+25°、+15°、+5°、-5°、-15°、-25°，各移相组角差10°，每相由若干个功率单元串联而成，三相次级输出相邻相之间互差10°，该6个移相组由三相不同时序脉冲控制触发可控硅IGBT得到正负各18脉波；该每个移相组有3个抽头，则每个群组共有18个抽头对应连接设置于支架一侧的输出线排，共有三组输出线排用于连接变频器。

2.根据权利要求1所述的一种36脉波大功率变频整流变压器，其特征在于：该初级绕组采用Y形接法，绕成筒式线圈；该次级绕组采用饼式线圈，用母线夹作饼间绝缘。

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