CN103219881A - 变压器分段串联电容补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器分段串联电容补偿电路，属于变压器或电能变换领域。变压器待串联补偿绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有补偿电容；上述变压器待串联补偿绕组为变压器原边或/和变压器副边。本发明可应用于各类谐振变换器中，包括用于非接触谐振变换器中补偿非接触变压器的漏感和激磁电感。

Description

变压器分段串联电容补偿电路

技术领域

本发明涉及一种适用于谐振变换器的变压器分段串联电容补偿电路，属于变压器或电能变换领域。

背景技术

谐振变换器具有高效率、高功率密度以及良好的EMI特性，在功率变换场合得到了广泛的应用。通过引入谐振网络，来得到部分谐振或是完全谐振的电压或电流，实现谐振变换器的软开关，获得高效率及高功率密度的特性。谐振补偿电容作为谐振网络中不可或缺的部分，能够补偿变压器的感抗及线路中的感抗，来获得所需的谐振波形和输出特性。尤其在非接触供电场合，非接触变压器存在大漏感、小激磁电感的特点，通过加入谐振补偿电容来补偿漏感及激磁电感，能够保证足够的电压增益、使得能量可以传输到非接触变压器副边侧，并减小非接触变压器原边的无功损耗，提高变换效率。

串联补偿电容是补偿变压器感抗的常用方法。当变压器待补偿的感抗较大，负载较重时，串联补偿电容的电流会增大，引起补偿电容的电压应力显著增加，使得补偿电容成为影响变换器可靠性的重要因素之一。为了解决该问题，常用的方法是将单个补偿电容替代为多个补偿电容的串并联组合，从而降低单个电容的电压及电流应力。采用这种方法对改善补偿电容自身的电压及电流应力十分有效，但无法解决重载时由补偿电容所引起的变压器绕组端电压较高的问题。变压器绕组的端电压为输入电压与补偿电容电压叠加而成，补偿电容电压过高相应导致变压器绕组端电压过高，引起绝缘困难和高压导致的无功损耗。罗青林，钟俊涛.降低局部概率的特高压变压器绝缘设计[J].变压器，2011,48(11)：16-18中指出变压器存在高压时，可能引起局部放电现象，影响变压器的正常运行。赵修科.磁性元器件分册[M].第一版，沈阳：辽宁科学技术出版社，2002，98-100则阐述了通过改变线圈绕制方式及恰当的屏蔽措施来减小线圈间电容以及分布电容，以减小变压器的无功损耗。

无论是单个补偿电容还是采用多个补偿电容的串并联组合，都是利用串联补偿电容的电压对变压器待补偿感抗的压降进行集中补偿，我们称其为集中式补偿方法。显然，只要是集中式补偿方法，变压器绕组与补偿电容或补偿电容网络的电路连接关系就不变，变压器绕组的端电压与输入电压及补偿电容电压或补偿电容网络电压的数量关系也不发生改变，则重载时变压器绕组端电压过高的问题就不能得到解决。

如何找到合理的补偿方法，在补偿变压器感抗及线路感抗的同时，既能降低单个补偿电容的电压及电流应力，又能降低变压器绕组的电压应力，成为本发明的设计重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有谐振变换器采用的集中式补偿方法无法解决变压器绕组电压应力过高的缺点，提出一种新型的变压器补偿方法。

本发明的目的是通过以下方案实施的:

一种变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：变压器待串联补偿绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有补偿电容；上述变压器待串联补偿绕组为变压器原边或/和变压器副边。所述的变压器分段串联电容补偿电路能够改变变压器各绕组段两端的电位，从而减小变压器绕组的电压应力，解决高压所带来的绝缘以及无功损耗问题。

所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：所述变压器待串联补偿绕组的绕组段匝数相等或不相等，相等时有利于补偿电路的设计。

所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：所述补偿电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：上述变压器待串联补偿绕组的始端或/和末端还串有补偿电容。

本发明相比于现有技术有如下优点：

现有谐振变换器中变压器的感抗补偿多采用串联补偿电容的集中式补偿方法，负载较重或是电路中感抗较大时，变压器绕组的电压应力较高，给变压器的绝缘以及变换器的安全工作带来了隐患。

本发明的变压器分段串联电容补偿电路，通过将变压器绕组分开为多段，将补偿电容分段插入并与变压器绕组串联连接，对变压器的感抗进行分段补偿。所提出的变压器分段串联电容补偿电路利用所插入的补偿电容电压与变压器各段绕组段电压存在相位差的特点，通过分段串联补偿电容，改变变压器各分段绕组段两端的电位，从而减小变压器绕组的电压应力。

分段串入的补偿电容既能在补偿变压器感抗及线路感抗的同时，改变变压器内部的电场分布，降低变压器绕组的电压应力，降低变压器绕组的绝缘要求，同时减小变压器因高压电场存在导致的无源损耗，使得变压器及变换器的工作更为安全。可应用于各类谐振变换器中，包括非接触谐振变换器中非接触变压器的补偿，补偿非接触变压器的漏感和激磁电感。

附图说明

附图1为仅变压器原边绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的示意图；

附图2为仅变压器副边绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的示意图；

附图3为变压器原、副边绕组同时采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的示意图；

附图4是变压器串联补偿电容的集中补偿方法示意图；

附图5是采用串联电容集中补偿方法的变压器电压、电流向量图

附图6是采用串联电容集中补偿方法的变压器绕组内部的电压变化图；

附图7是本发明的采用分段补偿方法的变压器单段绕组段的电压、电流向量图；

附图8是本发明的采用分段补偿方法的变压器绕组内部的电压变化图；

附图9是本发明的按不同匝数分段下的变压器绕组的电压、电流向量图；

附图10是采用集中补偿方法的仿真电路图；

附图11是本发明的采用变压器分段串联电容补偿电路的仿真电路图；

附图12是采用集中补偿方法的仿真波形；

附图13是本发明的采用变压器分段补偿方法的仿真波形；

附图14是应用实例的采用集中补偿方式的全桥逆变、串/并补偿的非接触谐振变换器电路图；

附图15是应用实例的原边绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的全桥逆变、串/并补偿的非接触谐振变换器电路图。

附图16是应用实例的非接触变换器---集中补偿方法下的实验波形；

附图17是应用实例的非接触变换器---分段补偿方法下的实验波形。

图1～17中的主要符号名称：U_i—输入直流电压；u_in—输入交流电压；i_p—变压器原边电流；i_s—变压器副边电流；L_pi（i=1,2，…n）—变压器原边各绕组段自感；C_pi（i=1,2，…n）—变压器原边各绕组段对应的分段补偿电容；L_sj（j=1,2，…m）—变压器副边各绕组段自感；C_sj（j=1,2，…m）—变压器副边各绕组段对应的分段补偿电容；L_p—变压器原边自感；L_s—变压器副边自感；C_p—变压器集中补偿的串联谐振电容；A_i、B_i—变压器各绕组段两端符号；A、B——变压器总绕组的始端与末端的符号；N_pi（i=1,2，…n）—变压器原边各绕组段匝数；N_sj（j=1,2，…m）—变压器副边各绕组段匝数；N_p—变压器原边绕组匝数；N_s—变压器副边绕组匝数；M₁₂—变压器原边两段绕组的互感；k—变压器原副边绕组间的耦合系数；S₁～S₄—功率管；D₁～D₄—二极管；D_R1～D_R4—整流二极管；L_f—副边整流滤波电路中的滤波电感；C_f—副边整流滤波电路的滤波电容；R_L—负载；U_o—输出电压；

具体实施方式

以上附图非限制性公开了本发明的几个具体实施实例，下面结合附图对本发明作进一步描述如下。

参见附图1，附图1所示为变压器原边绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的实施示意图。图中u_in为交流输入电压，i_p、i_s分别为变压器原、副边绕组电流。如附图1所示，本发明的变压器分段串联电容补偿电路先将变压器原边绕组分开为n段，所分各绕组段的匝数可以相等或者不相等，依次为N_p1、N_p2,…N_pn。A_i、B_i分别表示变压器第i段绕组的两端；A、B为变压器总绕组的始端与末端的符号；再将补偿电容C_p1、C_p2,…C_pn依次分段插入，并与变压器各绕组段串联连接。由于补偿电容分段串入绕组中，与变压器集成为一个整体，A或B点可以与A₁或B_n公用节点，例如附图1中的A点与A₁点；也可以放到分段补偿电容的一只引脚，例如附图1中的B点与B_n点。

并非所有相邻的绕组段间均需要串入补偿电容，只要变压器待串联补偿绕组中至少有一对相邻的绕组段间串有补偿电容即可实现变压器绕组电压应力的降低，参见附图2，附图2中变压器副边仅有部分相邻绕阻段间串有补偿电容。此外，还可以在绕组的始端或/和末端串入补偿电容，参见附图1，变压器原边绕组末端还串有一个补偿电容。

实际应用中可以单独对变压器原边绕组或副边绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路，也可同时对变压器的多个绕组采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路，附图3给出了变压器原、副边绕组同时采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路的示意图。

采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路，可以在进行感抗补偿同时降低变压器绕组的电压应力，下面结合附图1和集中式补偿电路，对本发明的变压器分段串联电容补偿电路进行分析说明。

参见附图4，附图4所示为变压器串联补偿电容的集中补偿方法示意图。为了方便与附图1进行对比，在附图4中的变压器绕组中依次标出附图1所示的各绕组段的位置，绕组段节点的定义与附图1相同。由于附图4中各绕组段直接相连没有分开，故相邻两段绕组段的始末端公用同一个节点。N_p为变压器原边绕组的总匝数，N_s为变压器副边绕组的总匝数，C_p为变压器原边绕组串联的集中式补偿电容。

首先分析分段补偿方法对感抗的补偿效果。

利用串联电容对感抗进行补偿就是利用容抗压降来抵消感抗压降。因此，要得到与集中式补偿相同的补偿效果，就要求补偿电容的总电压相同。根据附图1和附图4，分段补偿方法中各补偿电容电压u_Ci（i=1,2，…n）总和应满足下面方程：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ci}}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_p}{\mathrm{j\ω}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{C_{\mathrm{pi}}}=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_p}{{\mathrm{j\ωC}}_p}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Cp}}---\left(1\right)$

上式中各变量取其向量形式，以下均同。

则两种补偿方法补偿效果相同时应满足：

$\frac{1}{C_p}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{C_{\mathrm{pi}}}---\left(2\right)$

再来分析分段补偿方法对各绕组段电压的影响。

由上面分析可知，等效补偿电容相同，同样的电流条件下，分段补偿与集中补偿电容的总电压不变。

对于集中补偿方法，如附图4所示，原边绕组电压满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Cp}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-\frac{{\stackrel{\·}{I}}_p}{{\mathrm{j\ωC}}_p}---\left(3\right)$

对于本发明的变压器分段串联电容补偿电路，如附图1所示。令原边各段绕组段电压为u_AiBi，则原边各绕组段总电压满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{in}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ci}}---\left(4\right)$

联立（2）、（3）、（4）可知：相同的输入电压，分段补偿与集中补偿绕组的总电压不变。

改变补偿方法，原边绕组的磁通耦合关系并不变化。由于原边各绕组段之间紧耦合，则各绕组段两端电压之比等于其匝比，各绕组段两端的电压满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}=\frac{N_{\mathrm{pi}}}{N_p}\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right)---\left(5\right)$

显然，各绕组段匝数不变，绕组总电压不变，分段补偿不会影响各绕组段两端的电压。

根据式(3)可以得到变压器采用串联电容集中补偿方法的输入电压

原边电流

补偿电容电压

以及变压器绕组电压的向量图，如附图5所示。图中用矢量

表示输入电压

表示补偿电容电压

表示变压器绕组电压

电容电压

滞后原边电流

90度相角。由附图5可以看出，当

不变，

增大，补偿电容电压

增大，从延长到

相应地，变压器绕组电压也从

变为

使得绕组电压应力增加。

以变压器绕组的始端A点为电压参考点，可以画出采用集中补偿方法的变压器绕组内部的电压变化，如附图6所示。附图6中绕组内部端子的定义与附图4相同。采用集中补偿方法，各绕组顺向串联，

变压器绕组中的电位依次升高，如附图6所示。绕组电压方向相同，线性叠加，绕组最大电压应力为

满足：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AB}}=\frac{N_p}{N_{\mathrm{pi}}}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}---\left(6\right)$

其中，N_p为变压器原边绕组的总匝数，N_pi为变压器原边第i段绕组段的匝数。

结合附图1，可知采用分段补偿方法，变压器原边第i段绕组段的电压、电流满足以下方程：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiAi}+1}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ci}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AiBi}}+\frac{{\stackrel{\·}{I}}_p}{{\mathrm{j\ωC}}_{\mathrm{pi}}}---\left(7\right)$

根据上式可画出采用分段补偿方法的变压器原边单段绕组段的电压、电流向量图，如附图7所示。不妨假设

超前电流

角，当：

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{Ci}}\right|<2\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right|\sin \mathrm{\&theta;}---\left(8\right)$

则有：

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiAi}+1}\right|<\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{AiBi}}\right|---\left(9\right)$

上式说明可以利用分段补偿电容电压与绕组电压的相位差，来改变变压器绕组中的电位分布。

以变压器绕组的始端A点为电压参考点，可以画出采用分段补偿方法的变压器绕组内部的电压变化，如附图8所示。对比附图6和附图8可以明显看出用分段补偿电容来调节绕组内部端子的电位，可以显著降低变压器绕组上的电压应力，提高变压器的绝缘和安全性能。

需要说明的是，并非所有分段绕组的电压都需要满足式（9）。下面以变压器绕组分为两段，中间串联插入补偿电容的情况进行分析，相应的电压、电流向量图如附图9所示。不论如何分段，输入电压

始终等于变压器绕组总电压

与补偿电容电压

的和，因此即便某些内部端子的电位无法降低，但是只要原边绕组电压

大于输入电压

在采用本发明的变压器分段串联电容补偿电路时，变压器整体绕组的电压应力将被限制在输入电压，必定能降低整体变压器绕组的电压应力。

仿真验证：

为验证本发明的可行性，利用saber仿真软件，对附图10及附图11所示的电路进行了仿真。附图10、附图11分别是采用集中补偿方法及分段补偿方法的仿真电路图；图中M₁₂为变压器原边两段绕组段的互感；k为变压器原副边之间的耦合系数。附图11中的变压器由附图10中的变压器原边绕组按匝数平均分为2段得到，A、B及A_i、B_i定义同前。两种补偿方式下补偿电容等效。具体的仿真参数如下所示：

附图12及附图13分别给出了集中补偿以及分段补偿方式下的仿真结果，采用集中补偿方法，变压器原边绕组电压u_A1A2及u_AB的峰值分别为220V和440V；采用分段补偿，绕组电压u_A1A2及u_AB的峰值分别为140V和282V，显然分段补偿方式可有效降低变压器绕组的电压应力。

应用实例：

为验证本发明的可行性，采用如附图14、附图15所示的基于全桥逆变电路、采用串/并补偿的非接触谐振变换器进行了实验验证。选取逆变电路的开关频率为43kHz，四只开关管S₁～S₄均为恒频开关、且占空比接近0.5，S₁、S₄同时开关、S₂、S₃同时开关，S₁、S₃互补导通、S₂、S₄互补导通。附图12为采用集中补偿方式的全桥逆变、串/并补偿的非接触谐振变换器电路图。附图15为原边绕组采用分段补偿的全桥逆变、串/并补偿的非接触谐振变换器电路图，其中变压器原边绕组分为8段，分段串入了8个补偿电容。

具体电路参数如下：

附图16及附图17分别给出了采用集中补偿以及分段补偿方法下的实验波形，其中i_p为变压器原边电流波形，u_A1A2为两种补偿方法变压器原边单段绕组段的电压波形，u_AB为两种补偿方法变压器原边总绕组的电压波形。由图16可知，采用集中补偿，变压器原边单段绕组段电压u_A1A2的峰值为80V、变压器原边总绕组的电压峰值为480V；采用分段补偿，变压器原边单段绕组段电压u_A1A2的峰值为60V，变压器原边总绕组的电压u_AB的峰值为100V，显然分段补偿方式可有效降低变压器绕组的电压应力。需要说明的是，由于非接触变压器松耦合，在对单段绕组电压的测量中存在磁场干扰，因而对应电压波形中存在一定毛刺。

Claims (4)

1.一种变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：

变压器待串联补偿绕组由若干绕组段串联组成，其中至少有一对相邻的绕组段间还串有补偿电容；上述变压器待串联补偿绕组为变压器原边或/和变压器副边。

2.根据权利要求1所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：所述变压器待串联补偿绕组的绕组段匝数相等或不相等。

3.根据权利要求1所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：所述补偿电容为单一电容或多个电容串并联组合而成。

4.根据权利要求1所述的变压器分段串联电容补偿电路，其特征在于：上述变压器待串联补偿绕组的始端或/和末端还串有补偿电容。

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