CN103460312B - 模块化可重构的多相电力变压器 - Google Patents

Abstract

一种AC变压器，具有可配置用于单相或多相电力输入和/或输出变压器应用的圆柱形芯。该变压器芯结构能够通过改变变压器初级和次级绕组配置而被配置用于提供单相或多相输入或输出。多相输入配置能够用于多相输出变压器中，比如用于变频器VFD应用。另外的用于缠绕变压器芯的方法最小化变压器制造所需要的芯绕组电线的数量。

Description

模块化可重构的多相电力变压器

公开背景

1.技术领域

本发明涉及交流（AC）电力变压器，并且更具体地，涉及通过选择性地在通用变压器芯结构上配置绕组来将一个或多个输入电力相转换为多相输出的多相AC电力变压器。本发明的变压器适于向AC电动机变频器（VFD）供电。

2.背景技术

一些已知的AC变频器需要9个输入电流电力相以便向三相AC电动机提供驱动控制。如图1和图2中所示，通过已知的3-9相变压器T，三个电力输入相的每一个都被分到三个单独的次级。在变压器T中，三个已知的成对的初级/次级绕组束（bundle）T₁、T₂和T₃分别具有耦接到一个输入电力相的初级绕组，在所谓的德耳塔配置中在初级绕组上缠绕单独的环形次级绕组。在各个束中，初级绕组围绕共享的平面梯形形状的铁磁层压芯C的单独的梯级（rung）缠绕，并且束的次级绕组转而围绕初级绕组缠绕。各个单独的初级/次级绕组束T_1-3分别将三相AC输入电力的单个相Φ₁、Φ₂和Φ₃转换成为九个次级输出电力，统称为Φ_A至Φ_I。向已知的变频器VFD馈送总的变压器输出功率Φ_A至Φ_I，变频器VFD的输出电力控制电动机（MOTOR）的运行驱动参数。

因而，在已知的VFD系统中，梯形芯多相变压器在他们的初级/次级芯中需要相对复杂的内部绕组结构，并且占据相对大的安装空间。

已知的梯形芯多相变压器一般需要专门配置用于特定相转换应用的铁磁芯。例如，单相输入变压器芯（通常1或2梯形梯级芯）的结构与两相输入（至少2梯形梯级芯）或者三相输入（至少3梯形梯级芯）的变压器芯的结构不同。类似地，依赖于输出相的数量需要初级/次级绕组束的多种配置。因为不是预先装配的，所以束结构更加复杂。在次级绕组可以围绕初级绕组缠绕之前，束的初级绕组必须围绕铁磁芯缠绕。这样，已知的梯形芯变压器需要复杂的芯绕组配置和耗费大量导电绕组电线的缠绕过程。

这样，现有技术中存在对能够用于从单相输入到单相输出、单相输入到多相输出以及多相输入到多相输出的多种类型的变压器应用的模块化变压器芯结构的需要。

现有技术中存在对能够用于从单相输入到单相输出、单相输入到多相输出以及多相输入至多相输出的多种类型的变压器应用的模块化变压器绕组结构的另一个需要。

现有技术中还存在对于如下可重构模块化多相变压器的另一种需要：该可重构模块化多相变压器能够代替已知的被配置用于单输入相到多输出或多相输入至多相输出的专门应用的变压器，包括通常使用三相电网电线电力来向多相变频器供电的变压器。

现有技术中存在对如下变压器绕组配置的附加的需要：该变压器绕组配置降低用于其构造所需的导电绕组电线的数量和/或简化变压器制造。

发明内容

相应地，本发明的目的是创建包括能够被配置用于单相或多相输入和/或输出的模块化芯结构的变压器。

本发明的另一个目的是创建能够用于多种类型的单相和多相变压器输入和输出应用的模块化变压器绕组结构。

本发明的又一个目的是通过创建可重构的模块化多相变压器来减少将单相或多相电力输入转换为多相电力输出所需要的不同类型的变压器设备的数量。

本发明的另一个目的是简化围绕变压器芯缠绕导电电线的方法，以便创建在构造过程中消耗较少导电电线和/或更易于制造的变压器。

根据本发明，这些目的以及其他目的通过下述变压器实现，该变压器具有模块化的、可重构的圆柱嵌入的芯和适于单相或多相输入和/或输出变压器应用的绕组配置。多相输入应用中的根据本发明的教导构造的变压器可以替换许多不同的单独的专用单应用单相或多相输入和/或输出变压器，从而减少在制造和分配链清单中所需要的变压器单元的数量。本发明的模块化变压器芯和绕组结构能够被配置用于提供单相或多相输入或输出。在本发明的其他优选实施方式中，公开了用于简化变压器芯的绕组模式的方法，该方法还最小化制造变压器设备所需要的芯绕组电线的数量。

本发明的特征在于一种变压器，包括壳体。该壳体内装有静止初级芯，具有限定多个轴向初级槽的圆柱外围。该壳体还封装有环形静止次级芯，具有限定多个轴向次级槽的圆柱内围，该圆柱内围位于关于初级芯内围同心。至少一个相初级绕组，位于初级槽内，其耦接到交流输入电力的相。至少一个相次级绕组，位于次级槽内，感应地耦接到至少一个相初级绕组，用于产生交流输出电力的单独相。初级绕组或次级绕组还可以包括子绕组，各个子绕组分别用于单独的相。

本发明的另一个实施方式的特征在于具有壳体的多相变压器。该壳体内装有静止初级芯，具有限定18个轴向初级槽的圆柱外围。该变压器还具有环形静止次级芯，具有限定27个轴向次级槽的圆柱内围，该圆柱内围位于关于初级芯外围同心。三相初级绕组位于初级槽内，绕组具有分别耦接至交流输入电力的相的多个子绕组。初级绕组限定通过两个相邻的初级槽的围绕初级芯的子绕组的对称连续绕组模式，并且在重复各个绕组模式之前跳过多个槽。具有九个子绕组的九相次级绕组位于次级槽中，感应地耦接到初级绕组，用于产生交流输出电力的九个单独相。九相次级绕组限定通过两个相邻的初级槽的围绕次级芯的子绕组的对称连续绕组模式，并且在重复各个绕组模式之前跳过多个槽。

本发明的另一个实施方式的特征在于一种制造多相变压器的方法。该方法包括：设置初级芯，该初级芯具有限定多个轴向初级槽的圆柱外围。以通过两个相邻的初级槽的围绕初级芯的对称连续绕组模式缠绕至少一个初级绕组，并且在重复该绕组模式前跳过多个槽。设置环形次级芯，该环形次级芯具有限定多个轴向次级槽的圆柱内围。以通过两个相邻的次级槽的围绕次级芯的对称连续绕组模式缠绕至少一个次级绕组，并且在重复该绕组模式前跳过多个槽。对齐并将次级芯圆柱内围关于初级芯外围牢固固定，以使得两个芯保持彼此相对静止。将初级芯和次级芯装入壳体中。

本领域普通技术人员可以以任何组合或子组合的方式联合地或单独地应用本发明的目的和特征。

附图说明

本发明的教导可以通过结合附图考虑下面的详细描述来容易地理解：

图1示出了现有技术的耦接到3相电源的以便提供9个单独的次级输出的3相初级绕组输入到9次级德尔塔绕组输出变压器；

图2是向变频器（VFD）和AC电动机供电的图1的现有技术的变压器的现有技术的示意性框图；

图3是本发明的模块化构造变压器的实施方式的透视图；

图4是图3的变压器的剖面透视图；

图5是在用于向变频器和AC电动机供电的示例性应用中的图3和图4的变压器的示意性框图，其中，通过单个电力线中的斜条表明多个相；

图6是本发明的模块化初级和次级变压器芯的实施例的平面图；

图7是在图6的变压器芯的9相分布绕组配置中的本发明的一个实施方式的次级绕组图；

图8是本发明的初级和次级变压器芯和它们相应的绕组的可替选实施方式的平面图；

图9是沿图8的9-9取得的立视剖面；

图10是在图8和图9的初级变压器芯的3相连续绕组配置中的用于本发明的绕组实施方式的初级绕组图；

图11是在图8和图9的次级变压器芯的9相连续绕组配置中的用于本发明的绕组实施方式的次级绕组图；

图12是图8和图9的变压器芯的通量线分布的模拟。

为了便于理解，尽可能使用了相同的参考编号来指示附图中共有的相同的元件。

具体实施方式

在考虑下面的描述后，本领域技术人员将清楚地认识到，本发明的教导可以容易地用于具有便于配置用于单相或多相输入和/或输出的模块化的嵌入的圆柱芯结构的模块化AC变压器。模块化的初级和次级变压器芯的不同配置可以利用针对不同的输入和输出相配置要求的不同的绕组配置预先缠绕。例如，初级芯可以针对单相、两相或三相输入应用被预先缠绕。类似地，次级芯可以针对单相、两相或三相输出应用被预先缠绕。预先制造的初级和次级芯的各种组合可以随后被装配来满足期望的应用的配置规格。

本发明的教导还包括缠绕本发明的模块化变压器芯的方法，其简化芯的缠绕并且降低在变压器制造过程中对芯导电电线的消耗。

变压器总体构造

现在转到根据本发明的教导构造的模块化变压器的示例，图3和图4总体上示出了具有圆柱形壳体21的变压器20，圆柱形壳体21的底端固定到装载（bucket）板22。中心管状支架24大体上是圆柱构造的，其底端固定到装载板22，以使得其大体上与壳体21同心。壳体21的顶端盖有插入中心管状支架24的上端的上空气导流板26和挡板组件28。冷空气以烟道状形式通过中心管状支架24的中心孔流通。如果需要辅助流通装置，则可以与中心管状支架24的中心孔连通地放置比如电扇，以便加强冷空气流通。

由堆叠的铁磁层叠片32构成的大体上环形的初级芯30具有初级槽34，初级芯绕组36缠绕通过该槽34。用于制造绕组36的绕组电线是已知构造的绝缘电线，并且适当数量的线圈是在变压器内产生想要的电磁场强度所必需的。被缠绕在槽内的绕组线圈在端绕组38处终止，端绕组38通过已知构造的输入端子块39耦接到对应的输入电力相。初级芯30在整体构造上与已知AC感应电动机转子的构造类似，其中中心管状支架24相当于电动机轴。

由堆叠的铁磁层叠片42构成的大体上环形的次级芯40具有初级槽44，初级芯绕组46缠绕通过该初级槽44。如同初级芯绕组36，用于制造次级绕组46的绕组电线是已知构造的绝缘电线，并且适当数量的线圈是在变压器内产生想要的电磁场强度所必需的。被缠绕在槽内的绕组线圈在端绕组48处终止，端绕组48通过已知构造的输入端子块49耦接到对应输入电力相。初级芯40在整体构造上与已知AC感应电动机定子的构造类似，变压器壳体21相当于电动机框架壳体。如同在已知的感应电动机转子和定子内，变压器20的初级芯30和次级芯40可以包括未示出的冷却排放通道。使用与已知AC感应电动机类似的变压器芯结构的额外的可能的优点在于：可以利用在电机制造中通常使用的方法和机器制造芯绕组并将其安装在芯内。

变压器模块化组件

变压器20的示例性装配过程是通过在装配的、预缠绕的次级芯40的环形孔内嵌入装配的、预缠绕的初级芯30，并且将芯30和40牢固地固定到装载板22，以便当变压器被激励时保持两个芯的相对方位。与在AC感应电动机或发电机中需要两个芯的相对旋转以便适当操作电动机器不同，在变压器中期望保持芯部分的固定相对位置。壳体21和中心管状支架24固定到装载板22，并且如果需要，固定到各个芯30或40，其中，壳体或中心管状支架处于相邻接触。初级芯端绕组38耦接到初级端子块39。类似地，次级芯端绕组耦接到次级端子块49。上空气导流板26和挡板组件28在变压器20的顶部固定到它们的装配位置中。本领域的技术人员可以改变该示例性装配顺序，增加或删除装配步骤以满足具体变压器或制造工厂配置的需要。

本发明的一个可能的优点是在需要用于单相或多相输入或输出的各种变压器绕组配置中可以预先制造初级芯30和次级芯40，并且可以以任何想要的组合方式来装配模块化的芯以满足需要的变压器规格。例如，可以利用单相、两相或三相次级芯40装配模块化的单相初级芯30。或者，可以利用被配置为提供单相或多相输出（即，每输入相1、2或3相输出）的次级芯装配两相或三相（多相）初级芯。

返回通过VFD控制的AC电动机的示例，图5示出了耦接到已知VFD的具有3相电力输入和9相电力输出的本发明的多相模块化变压器20。在附图中，通过单独的电力线中的斜条表示多个相。VFD具有耦接到并控制AC感应电动机的3相输出。

示例性芯槽和绕组配置

图6示出了本发明的变压器模块化芯结构，其中初级芯30和次级芯40分别具有54个等角排列的、径向对齐的绕组槽34、44。这样的54个槽构造是一些AC感应电动机设计的已知几何形状。

参照图7，图6的次级芯40具有标记为1-54的次级槽44，并且缠绕成9相输出变压器。形成包括多个线股（wire strand）的绕组环束。次级芯40具有在AC电动机制造中经常使用的分布式绕组模式的类型。“分布式”绕组模式的特征在于穿过槽的多个闭环子绕组线圈46（在图7中起于标记的槽#1，跳过8个槽然后通过标记的槽#10将环传回）。每一个环子绕组46被闭合以形成具有尾部的端环48。对于总计6个闭环46，顺序模式重复，其中一个环部分46与在先的环的返回部分共享相同的槽（此处，第二环起于标记的槽19并且通过标记的槽#10返回等）。所有6个子绕组闭环46并行连接并且形成端环48。每个端环48的端部耦接到输出端子块49（未示出）。每个端环48由与绕组环46相同的绕组束构造，在端绕组中需要大量电线，并且还在芯40的端部上占据相对大体积的空间。接下来的次级相子绕组起于标记的槽#2，重复与在先的次级相子绕组相同的模式。第三次级相子绕组起于标记的槽#3等，直到构成一起形成9相次级绕组的所有9个单独的各个子绕组。

在图6的变压器芯构造中，初级芯30具有在AC感应电动机技术中公知的三个子绕组的三相分布绕组模式，其中，形成包括多个线股的绕组环束来创建环36，环36通过端环38并联连接，端环38转而耦接到初级端子块39。出于简洁的目的，在图中未示出公知的三相分布绕组模式。尽管分布绕组模式在AC感应电动机技术中是已知的，但其在端绕组中消耗大量电线。本发明包括制造简化的、“紧凑的”变压器芯绕组的另外的可用方法，该变压器芯绕组减少形成端绕组需要的电线的数量。本文描述的紧凑绕组模式已经用于永磁AC电动机的定子绕组中，但相信迄今为止这种模式过去还没有应用于本发明的类型的多相变压器。

在图8-12中示出了紧凑绕组方法和使用该方法得到的作为结果的芯组件。在图8和图9中示出了优选地用于紧凑绕组模式的变压器芯。应当注意，向下穿过图8的平面的缠绕线圈匝用圆中的X表示，并且向上穿过图的平面的缠绕线圈匝用圆中的点表示。如图8和图9中所示，共同形成次级绕组46的子绕组的线圈穿过27个次级芯槽44。通过围绕两个相邻槽44将单线股缠绕多匝以形成多股导电环线圈来形成构成次级绕组46的子绕组的各个环线圈。只有单股电线形成端绕组48，从而与包含绕组束的整个厚度的分布式绕组模式相比节省了相当数量的电线。另外，如在图11的次级芯绕组图中所示，通过围绕两个相邻的次级槽44缠绕环，跳过一个槽，然后围绕接下来的两个相邻槽44重复绕组模式，串联耦接形成次级绕组46的子绕组的单个线圈环。如同在图11的连续紧凑绕组模式中明显看出的，两个输出相共享次级芯槽44。结果，9个输出相可以只在27个槽中缠绕。

在图8-12的实施方式中，初级芯30具有总计18个初级槽36，形成初级绕组36的子绕组的线圈环穿过其中。在图10中示出了用于初级绕组36和各个单股端绕组38的绕组模式。围绕两个相邻的初级槽34的多股和在端块39中终止的单股端环38的缠绕方法与用于前述次级绕组46的方法相同。在图12中示出了根据图8-11构造的变压器芯的绕组通量的模拟。

总体而言，本发明的教导使得本领域的技术人员能够利用模块化的、预先制造的可以被配置用于不同的输入和输出相规格和应用的初级和次级芯绕组构造单相或多相AC电力变压器。与针对限制应用设计的专用芯相比，可以减少变压器初级和次级芯部件的数量。本文教导的芯绕组技术可以简化绕组制造并减少构造芯需要的电线的数量。无论是否被配置用于单相或多相应用，本发明的模块化变压器可以共享相同的相对紧凑的安装底座。

虽然本文详细示出和描述了包含本发明的教导的多种实施方式，但是本领域的技术人员可以容易地想到许多仍包含这些教导的其他变形的实施方式。

Claims (13)

1.一种变压器，包括：

壳体，其内装有：

静止初级芯，具有限定多个轴向初级槽的圆柱外围；

环形静止次级芯，具有限定多个轴向次级槽的圆柱内围，所述内围同心地位于静止初级芯外围周围；

初级绕组，位于所述初级槽内，具有三个子绕组，分别用于耦接至交流输入电力的三个单独相；

次级绕组，位于所述次级槽内，具有九个子绕组，感应地耦接到所述初级绕组，用于产生交流输出电力的九个单独相。

2.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的至少一个限定具有并联耦接的多个单独子绕组的对称分布的绕组模式，每一个子绕组分别跳过相等数量的槽。

3.根据权利要求2所述的变压器，其中，所述静止初级芯或所述环形静止次级芯上的所述绕组模式分别限定具有并联耦接的多个单独子绕组的对称分布的绕组模式，每一个子绕组分别跳过相等数量的槽。

4.根据权利要求3所述的变压器，其中，在所述静止初级芯和所述环形静止次级芯上的所述绕组模式分别限定具有并联耦接的多个单独子绕组的对称分布的绕组模式，每一个子绕组分别跳过相等数量的槽。

5.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述轴向初级槽的数量等于所述轴向次级槽的数量。

6.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述初级槽和次级槽相对于彼此径向偏移。

7.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述静止初级芯比所述环形静止次级芯限定的槽少。

8.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述初级绕组和所述次级绕组的至少一个限定通过两个相邻槽的围绕其相应的芯的对称连续绕组模式，并且在重复所述绕组模式之前跳过多个槽。

9.根据权利要求8所述的变压器，还包括所述初级绕组和所述次级绕组的至少一个的子绕组，其中在所述静止初级芯或所述环形静止次级芯上的各个子绕组分别限定通过两个相邻的槽的围绕其相应的芯的对称连续绕组模式，并且在重复所述绕组模式之前跳过多个槽。

10.根据权利要求9所述的变压器，还包括所述初级绕组和所述次级绕组的子绕组，其中在所述静止初级芯和所述环形静止次级芯上的各个子绕组分别限定通过两个相邻的槽的围绕其相应的芯的对称连续绕组模式，并且在重复所述绕组模式之前跳过多个槽。

11.一种包括根据任一前述权利要求所述的变压器的系统，所述系统包括：

三相交流电源，耦接到变压器初级芯；

九相交流电力输出，耦接变压器次级芯和变频器控制器输入端；以及

三相交流电动机，耦接到所述控制器的输出端。

12.一种多相变压器，包括：

壳体，其内装有：

静止初级芯，具有限定18个轴向初级槽的圆柱外围；

环形静止次级芯，具有限定27个轴向次级槽的圆柱内围，所述

内围同心地位于静止初级芯外围周围；

初级绕组，位于所述初级槽内，具有三个子绕组，分别用于耦接至交流输入电力的相，所有三个子绕组分别限定通过两个相邻槽的围绕初级芯的对称连续绕组模式，并且在重复所述绕组模式之前跳过多个槽；以及

次级绕组，位于所述次级槽内，具有九个子绕组，感应地耦接到初级子绕组中的一个，用于产生交流输出电力的单独相，所有九个次级绕组分别限定通过两个相邻的次级槽的围绕次级芯的对称连续绕组模式，并且在重复所述绕组模式之前跳过多个槽。

13.一种用于制造多相变压器的方法，包括：

设置初级芯，该初级芯具有限定多个轴向初级槽的圆柱外围；

以通过两个相邻的初级槽的围绕所述初级芯的对称连续绕组模式缠绕具有至少三个初级子绕组的初级绕组，并且在重复所述绕组模式前跳过多个槽；

设置环形次级芯，所述环形次级芯具有限定多个轴向次级槽的圆柱内围；

以通过两个相邻的次级槽的围绕所述次级芯的对称连续绕组模式缠绕具有至少九个次级子绕组的次级绕组，并且在重复所述绕组模式前跳过多个槽；

同心对齐并将次级芯的圆柱内围关于初级芯外围牢固固定，以使得两个芯保持彼此相对静止；以及

将所述初级芯和次级芯装入壳体中。