CN102360794B - 一种移相整流变压器及串联拓扑变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移相整流变压器及串联拓扑变频器，其中移相整流变压器包括铁心，以及绕制在铁芯上的原边绕组、副边绕组和辅助绕组；副边绕组包括A相副边绕组、C相副边绕组，以及设置在A相副边绕组和C相副边绕组之间的B相副边绕组，A相副边绕组反向绕制，C相副边绕组正向绕制。本发明通过规定变压器的A相和C相副边绕组绕制顺序，来优化A相副边绕组、B相副边绕组和C相副边绕组之间或者绕组内部的安规绝缘距离，从而降低设计尺寸和成本，适用于所有串联拓扑型式的中压变频器的移相整流变压器的优化设计，包括卧式变压器和立式变压器和类似的特殊结构的变压器，且对由变压器构成的变频器整机运行原理没有任何影响。

Description

一种移相整流变压器及串联拓扑变频器
技术领域
本发明涉及变压器，更具体地说，涉及一种移相整流变压器及串联拓扑变频器。
背景技术
高压交流电动机在电力消耗中占有很大的比重，其中高压交流电动机使用高压变频器进行驱动。典型的8模块10KV串联拓扑结构中压变频器系统如图1中所示，包括移相变压器1、功率单元2和电机3，其中功率单元a1、a2、a3…a8组成系统的A相输出，功率单元b1、b2、b3…b8组成系统的B相输出，功率单元c1、c2、c3…c8组成系统的C相输出，三相输出拖动高压电机3传动系统。
上述中压变频器系统用的移相整流变压器结构和副边绕组方式如图2和图3所示，图2为立式结构变压器，图3为卧式结构变压器，移相整流变压器安规分析示意图如图4所示。其中，变压器包括变压器铁心11，原边绕组13，副边绕组15，以及辅助绕组18。副边绕组15包括：A相输出副边绕组12、B相输出副边绕组14、C三相输出副边绕16。变压器A相输出饼和B相输出饼之间的电气距离为d1，B相输出饼和C相输出饼之间的电气距离为d2，副边相内绕组之间的饼间电气距离为d3。
根据上述串联高压变频器的拓扑结构特点和工作方式，设定模块输入电压为V，模块串联数目为N，则d1和d2之间要承受NV的绝缘电压。如图4所示，根据业界通用绕制工艺，A8和B1之间因为串联9个模块，一个功率单元输出电压等级如果为700V，则A8和B1之间压差为6300kV，则需要保证的如图2和3中所示的d1距离由6300V电压决定。B8和C1之间需要保证如图2和3中所示d2的距离同样必须由6300V电压决定。受此限制，d1和d2之间有较大的安规距离要求，导致铁心用量增加，变压器整体尺寸和成本增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种移相整流变压器及串联拓扑变频器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
构造一种移相整流变压器，包括铁心，以及绕制在所述铁芯上的原边绕组、副边绕组和辅助绕组；所述副边绕组包括A相副边绕组、C相副边绕组，以及设置在所述A相副边绕组和所述C相副边绕组之间的B相副边绕组，其中，所述A相副边绕组采用反向绕制，所述C相副边绕组采用正向绕制。
本发明所述的移相整流变压器中，所述B相副边绕组采用混序绕制。
本发明所述的移相整流变压器中，所述B相副边绕组采用两头向中间逐渐变大的混序绕制。
本发明所述的移相整流变压器中，所述A相副边绕组包括N个相互独立的子绕组，记为AN；所述B相副边绕组包括N个相互独立的子绕组，记为BN；所述C相副边绕组包括N各相互独立的子绕组，记为CN；其中，所述N为自然数。
本发明所述的移相整流变压器中，相邻子绕组之间设置有绝缘层。
本发明所述的移相整流变压器中，所述绝缘层的材料不同和/或厚度不同。
本发明所述的移相整流变压器中，所述移相整流变压器为立式变压器或卧式变压器。
本发明所述的移相整流变压器中，所述移相整流变压器为干式变压器还是油浸式变压器。
本发明还提供了一种串联拓扑变频器，包括上述移相整流变压器，所述A相副边绕组、B相副边绕组和C相副边绕组各自的输出端分别经功率单元连接电机。
本发明的有益效果在于：通过规定变压器的A相和C相副边绕组绕制顺序，来优化A相副边绕组、B相副边绕组和C相副边绕组之间的安规距离，从而降低设计尺寸和成本，适用于所有串联拓扑型式的中压变频器的移相整流变压器的优化设计，包括卧式变压器和立式变压器，以及类似特殊结构的变压器。由于改变副边绕组绕制顺序并未改变变压器副边绕组和整机功率单元连接的一一对应关系，因此不会对由变压器构成的变频器整机运行原理产生任何影响。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是现有技术中的中压变频器系统结构示意图；
图2是现有技术中的立式结构的移相整流变压器示意图；
图3是现有技术中的卧式结构的移相整流变压器示意图；
图4是图2和图3中的移相整流变压器安规分析示意图；
图5是本发明实施例一的立式结构移相整流变压器结构示意图；
图6是本发明实施例二的立式结构移相整流变压器结构示意图；
图7是本发明实施例三的立式结构移相整流变压器结构示意图。
具体实施方式
本发明较佳实施例的移相整流变压器结构如图5所示，其包括铁心21，以及绕制在铁芯21上的原边绕组、副边绕组和辅助绕组28。其中副边绕组包括A相副边绕组22、C相副边绕组26，以及设置在A相副边绕组22和C相副边绕组26之间的B相副边绕组24，分别用于实现移相整流变压器的A相输出、B相输出和C相输出。A相副边绕组22反向绕制，C相副边绕组26正向绕制。这样通过规定变压器的A相和C相的副边绕组绕制顺序，使得无论B相副边绕组24采用何种绕制顺序都可以优化A相副边绕组22、B相副边绕组24和C相副边绕组26之间的安规距离，大幅度减小铁心用量，减小变压器的整体体积，从而降低成本。
上述实施例中，A相副边绕组22包括N个相互独立的子绕组，记为AN。B相副边绕组24包括N个相互独立的子绕组，记为BN。C相副边绕组26包括N各相互独立的子绕组，记为CN。其中，N为自然数，例如可以是5，或者是8，还可以是3、6、9等。当N为8时，如图5所示，A相副边绕组22包括子绕组A1、子绕组A2、子绕组A3、子绕组A4、子绕组A5、子绕组A6、子绕组A7、子绕组A8。B相副边绕组24包括子绕组B1、子绕组B2、子绕组B3、子绕组B4、子绕组B5、子绕组B6、子绕组B7、子绕组B8。C相副边绕组26包括子绕组C1、子绕组C2、子绕组C3、子绕组C4、子绕组C5、子绕组C6、子绕组C7、子绕组C8。
在实施例一中，以10kV立式变压器为例，如图5所示，A相副边绕组22采用反向绕制，C相副边绕组26采用正向绕制，B相副边绕组24采用混序绕制，也可用下面的表1表示：
表1
A相副边绕组22中的各子绕组按照反向绕制排序，C相副边绕组26中的各子绕组按照正向绕制排序，因此如果单个子绕组的输出电压等级为700V，A相副边绕组22中的各子绕组之间的安规距离只需要按照700V来考虑，与C相副边绕组26中相邻子绕组之间的安规距离d3相等即可。而B相副边绕组24采用混序绕制，如图所示，B相副边绕组24的子绕组B3和B相副边绕组24的子绕组B8之间相隔了4个模块，故要承受700*(4+1)＝3500V电压，因此B相副边绕组24的子绕组B3和B相副边绕组24的子绕组B8之间的安规距离d1要按照3500V来考虑；B相副边绕组24的子绕组B4和C相副边绕组26子绕组C1之间相隔了3个模块，故要承受700*(3+1)＝2800V电压，因此B相副边绕组24的子绕组B4和C相副边绕组26子绕组C1之间的安规距离d2需要按照2800V来考虑；而B相副边绕组24的其他子绕组之间的安规距离也只需要按照700V来考虑即可。这样比起现有技术的需要两个以6300V设计的安规距离大大降低(其他的子绕组的安规距离均以700V设计)，变压器的整体高度会有较大程度降低，变压器的铁心使用量也会大大降低，从而降低设计成本。
在实施例二中，以10kV立式变压器为例，如图6所示，A相副边绕组22采用反向绕制，C相副边绕组26采用正向绕制，B相副边绕组24采用混序绕制，可用下面的表2表示：
Figure BDA0000064054790000051
表2
A相副边绕组22中的各子绕组按照反向绕制排序，C相副边绕组26中的各子绕组按照正向绕制排序，因此如果单个子绕组的输出电压等级为700V，A相副边绕组22中的各子绕组之间的安规距离只需要按照700V来考虑，与C相副边绕组26中相邻子绕组之间的安规距离d3相等即可。而B相副边绕组24采用混序绕制，如图所示，B相副边绕组24的子绕组B3和A相副边绕组22的子绕组A1之间相隔了2个模块，故要承受700*(2+1)＝2100V电压，因此，B相副边绕组24的子绕组B3和A相副边绕组22的子绕组A1之间的安规距离d1需要按照2100V来考虑；B相副边绕组24的子绕组B6和B相副边绕组24的子绕组B8之间相隔了1个模块，故要承受700*(1+1)＝1400V电压，因此B相副边绕组24的子绕组B6和B相副边绕组24的子绕组B8之间的安规距离d2需要按照1400V来考虑；B相副边绕组24的子绕组B7和B相副边绕组24的子绕组B2之间相隔了4个模块，故要承受700*(4+1)＝3500V电压，因此B相副边绕组24的子绕组B7和B相副边绕组24的子绕组B2之间的安规距离d4需要按照3500V来考虑；而B相副边绕组24的其他子绕组之间的安规距离也只需要按照700V来考虑即可。这样比起现有技术的需要两个以6300V设计的安规距离大大降低(其他的子绕组的安规距离均以700V设计)，变压器的整体高度会有较大程度降低，变压器的铁心使用量也会大大降低，从而降低设计成本。
如果将图5和图6中的立式变压器改为卧式变压器，则也可以采用与上述相同的优化原理来设计，即使得A相副边绕组22采用反向绕制，C相副边绕组26采用正向绕制，B相副边绕组24采用相同的混序绕制，同样能使得卧式变压器的铁心使用量大大降低，从而降低设计成本，且变压器整体正面宽度会有较大程度降低。
通过以上实施例可知，只要A相副边绕组22采用反向绕制，所述C相副边绕组26采用正向绕制，B相副边绕组24无论采用何种绕制方法相对现有的移相整流变压器的A、B、C三相副边绕组方法都可以优化A相副边绕组、B相副边绕组和C相副边绕组之间的安规距离(约为原安规距离的一半)，从而降低设计尺寸和成本，故B副边绕组24采用何种方式进行绕制均在本发明的保护范围内。同时当B相副边绕组24采用如第一实施例和第二实施例中的混序绕制时，由于在B相副边绕组24存在至少两个较长的绝缘层，由于这些绝缘层的安规距离设计电压较高，因此安规距离也较大，这样在减少A相、B相和C相之间的安规总距离的同时，通过将安规总距离较均匀的分布在B相副边绕组24中各个子绕组之间对B相副边绕组24中各个子绕组还起到了较好的散热作用。
在实施例三中，以10kV立式变压器为例，如图7所示，A相副边绕组22采用反向绕制，C相副边绕组26采用正向绕制，B相副边绕组24采用两头向中间逐渐变大的混序绕制，也可用下面的表3表示：
Figure BDA0000064054790000071
表3
A相副边绕组22中的各子绕组按照反向绕制排序，C相副边绕组26中的各子绕组按照正向绕制排序，因此如果单个子绕组的输出电压等级为700V，A相副边绕组22中的各子绕组之间的安规距离只需要按照700V来考虑，与C相副边绕组26中相邻子绕组之间的安规距离d3相等即可。而B相副边绕组24采用两头向中间逐渐变大的混序绕制，如图所示，B相副边绕组24的子绕组B1和B相副边绕组24的子绕组B3、B相副边绕组24的子绕组B3和B相副边绕组24的子绕组B5、B相副边绕组24的子绕组B5和B相副边绕组24的子绕组B7、B相副边绕组24的子绕组B8和B相副边绕组24的子绕组B6、B相副边绕组24的子绕组B6和B相副边绕组24的子绕组B4、B相副边绕组24的子绕组B4和B相副边绕组24的子绕组B2、B相副边绕组24的子绕组B2和C相副边绕组26的子绕组C1之间都只间隔了1个模块，故要承受700*(1+1)＝1400V，因此，以上子绕组之间的安规距离d2均按照1400V来考虑。这样比起现有技术的需要两个以6300V设计的安规距离大大降低(其他的子绕组的安规距离均以700V设计)，变压器的整体高度会有较大程度降低，变压器的铁心使用量也会大大降低，从而降低设计成本。同时总安规距离均匀分配在B相副边绕组24的各个子绕组之间，这样在达到最佳的散热效果的同时，还可使用多个低安规要求的绝缘层代替两个高安规要求的绝缘层，使得绝缘层的设计更加简单，绝缘层的成本更低。
同样，如果将图7中的立式变压器改为卧式变压器，则也可以采用与上述相同的优化原理来设计，即使得A相副边绕组22反向绕制，C相副边绕组26正向绕制，B相副边绕组24采用两头向中间逐渐变大的混序绕制，能达到同样的效果。
在本发明的一个实施例中，相邻子绕组之间设置有绝缘层。所述绝缘层的材料不同和/或厚度不同。可以通过绝缘层的材料和厚度不同满足各相副边绕组的子绕组之间不同的绝缘要求。当然直接通过子绕组之间的绝缘间距不同也能够满足各相副边绕组的子绕组之间不同的绝缘要求。
本发明的移相整流变压器可以是干式变压器或油浸式变压器，可以达到同样的技术效果。
在本发明的另一实施例中，还提供了一种串联拓扑变频器，包括前面任一实施例中所描述的移相整流变压器。移相整流变压器的A相副边绕组22、B相副边绕组24和C相副边绕组26各自的输出端分别经图1中所示的功率单元2连接电机3。参阅图1，功率单元包括连接A相副边绕组输出端的A相功率单元、连接B相副边绕组的B相功率单元和连接C相副边绕组的C相功率单元，A相功率单元、B相功率单元和C相功率单元分别包括N个相同的子单元，同样N为自然数。由于改变副边绕组绕制顺序并未改变变压器副边绕组和整机功率单元2连接的一一对应关系，因此不会对由变压器构成的变频器整机运行原理产生任何影响。关于移相整流变压器的具体结构可参见前述各实施例，在此不再赘述。
综上，本发明通过规定变压器的副边绕组绕制顺序，来优化A相副边绕组22、B相副边绕组24和C相副边绕组26之间的安规距离，从而降低变压器的设计尺寸，以减小由变压器制成的变频器整机的尺寸降低，可在一定程度上降低变压器的制造成本，同时还能提高变压器的线圈的散热能力，适用于所有串联拓扑型式的中压变频器的移相整流变压器的优化设计，包括卧式变压器和立式变压器，以及类似特殊结构的变压器。同时由于改变副边绕组绕制顺序并未改变变压器副边绕组和整机功率单元连接的一一对应关系，因此不会对由变压器构成的变频器整机运行原理产生任何影响，例如3KV中压变频器、6KV中压变流器结构、10KV中压变流器结构。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种移相整流变压器，包括铁芯（21），以及绕制在所述铁芯（21）上的原边绕组（10）、副边绕组（20）和辅助绕组（28）；所述副边绕组（20）包括A相副边绕组（22）、C相副边绕组（26），以及设置在所述A相副边绕组（22）和所述C相副边绕组（26）之间的B相副边绕组（24），其特征在于，所述A相副边绕组（22）、所述B相副边绕组（24）和所述C相副边绕组（26）绕制在所述铁芯（21）的同一铁芯腿上，所述A相副边绕组（22）采用反向绕制，所述C相副边绕组（26）采用正向绕制；所述B相副边绕组（24）采用混序绕制。
2.根据权利要求1所述的移相整流变压器，其特征在于，所述B相副边绕组（24）采用绕组序号从两头向中间逐渐变大的混序绕制。
3.根据权利要求1所述的移相整流变压器，其特征在于，所述A相副边绕组（22）包括N个相互独立的子绕组，记为AN；
所述B相副边绕组（24）包括N个相互独立的子绕组，记为BN；
所述C相副边绕组（26）包括N各相互独立的子绕组，记为CN；其中，所述N为自然数。
4.根据权利要求3所述的移相整流变压器，其特征在于，相邻子绕组之间设置有绝缘层。
5.根据权利要求4所述的移相整流变压器，其特征在于，所述绝缘层的材料不同和/或厚度不同。
6.根据权利要求1-3所述的移相整流变压器，其特征在于，所述移相整流变压器为立式变压器或卧式变压器。
7.根据权利要求1-3所述的移相整流变压器，其特征在于，所述移相整流变压器为干式变压器或油浸式变压器。
8.一种串联拓扑变频器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一所述的移相整流变压器，所述A相副边绕组（22）、B相副边绕组（24）和C相副边绕组（26）各自的输出端分别经功率单元（2）连接电机（3）。
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