CN104009654A

CN104009654A - 九柱组合铁心变压器

Info

Publication number: CN104009654A
Application number: CN201410237712.5A
Authority: CN
Inventors: 刘涛; 刘建平
Original assignee: Individual
Current assignee: Znint Electric Share Holding Co ltd
Priority date: 2014-05-31
Filing date: 2014-05-31
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2034-05-31
Also published as: CN104009654B

Abstract

一种九柱组合铁心变压器，目的是在电压的变换中同时进行无级与有载的电压调节；本发明包括一次绕组、二次绕组、电容器、调节器和三只三柱式铁心；三只三柱式铁心共有截面积相等的T_a1、T_a2、T_a3、T_b1、T_b2、T_b3、T_c1、T_c2、T_c3九个铁心心柱，采用垂直组合方式叠合成三层铁心结构，铁心心柱上依次套装一次绕组W_a1、W_a2、W_a3、W_b1、W_b2、W_b3、W_c1、W_c2、W_c3和二次绕组W_a10、W_a20、W_a30、W_b10、W_b20、W_b30、W_c10、W_c20、W_c30；一次绕组的结构、线圈匝数及绕向相同，二次绕组的绕组结构、匝数及绕向也相同；电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃依次联接在c₂与b₀、a₂与c₀、b₂与a₀三对接线端之间；调节器采用整流二极管D₁-D₆联成输入端与a₀、b₀、c₀联接的三相整流桥并以直流正端接正极方式在三相整流桥直流端联接可关断电子元件。

Description

九柱组合铁心变压器

技术领域

本发明属于变压器及交流稳定电源领域，涉及一种九柱组合铁心变压器。

背景技术

现行的电力技术是将变压与稳压采用两种电力设备分步完成。有载调压变压器能在正、负4*2.5%额定电压的高压分接范围内分级进行电压的调节，大功率交流稳压器虽然具有正、负20%额定电压的连续调节功能，但其额定容量不宜超过200KVA。现时的有载调压技术，一般是在高压绕组上抽出适当的分接头，其有载分接开关由快速切换电流的切换开关和选择分接头的选择器组成，利用分接选择器使一个分接头断开前下一个分接头接入以及切换开关在带电切换分接时短接两个分接头的过程来完成其分档的电压切换。中国专利200620108454.1的无触点无级有载调压变压器，采用串接补偿变压器与主变压器一次绕组串接方式，可实现对主变压器的无级电压调节，但其动态电压调节器由三相PWM整流器、电容储能器、逆变器和滤波器组成，使其结构较复杂且造价较高。还有在高压绕组上采用绕组抽头并用多组双向晶闸管进行分级调节，在电压过零点时用计算机发出指令来改变晶闸管工作状态，自动改变高压绕组匝数而实现低压侧电压调节的方式，也存在须用大量的晶闸管器件且串联在主电路带来的结构复杂及其可靠性较低的问题。中国专利02101996.7的曲折补偿型变压器及移相调压方法，采用两组三柱式铁心与六边形调节绕组的结构，并用转移调节绕组的电压相位方式对主变压器的一次绕组进行电压调节，其中的变换调节绕组电压相量而对与其串联的主变一次绕组进行调节的办法，实质上是用改变铁心中的磁通量来改变其绕组的电势值，但其用十二个调节端的接线方法带来了结构复杂与不能连续调节的问题。

发明内容

本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种采用九柱式铁心与曲折接线绕组及脉冲控制方式、在电压的变换中同时进行无级与有载的电压调节的九柱组合铁心变压器。

本发明包括包括一次绕组、二次绕组、电容器、调节器和三只三柱式铁心；三只三柱式铁心共有截面积相等的T_a1、T_a2、T_a3、T_b1、T_b2、T_b3、T_c1、T_c2、T_c3九个铁心心柱，采用垂直组合方式叠合成三层铁心结构，在其九个铁心心柱上依次套装一次绕组W_a1、W_a2、W_a3、W_b1、W_b2、W_b3、W_c1、W_c2、W_c3，并在其九个铁心心柱上依次套装一个二次绕组W_a10、W_a20、W_a30、W_b10、W_b20、W_b30、W_c10、W_c20、W_c30，或在九个铁心心柱上依次套装两个二次绕组W_a10与W_a11、W_a20与W_a21、W_a30与W_a31、W_b10与W_b11、W_b20与W_b21、W_b30与W_b31、W_c10与W_c11、W_c20与W_c21、W_c30与W_c31；九个一次绕组的结构、线圈匝数及绕向相同，二次绕组的九个或十八个绕组结构、匝数及绕向也相同；套装于上、中、下三层铁心心柱的一次绕组按照W_a1首端---W_a2末端---W_a3首端、W_b1末端---W_b2首端---W_b3末端、W_c1首端---W_c2末端---W_c3首端的绕组顺序相联成三个串联支路，再将三个一次电源端A₁、B₁、C₁依次同W_a1首端与W_c3末端、W_b1末端与W_a3末端、W_c1首端与W_b3末端分别相联成串联三角形接线；二次绕组的三个中柱绕组联接成三相星形而同三对V形接线的边柱绕组联成单组合接线，或者是二次绕组的六个中柱绕组联成六相星形与六对边柱绕组的环形组合接线，并引出a₂、b₂、c₂三个二次输出端与a₀、b₀、c₀三个调节端；电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃依次联接在c₂与b₀、a₂与c₀、b₂与a₀三对接线端之间，或者联接在c₂与a₀、a₂与b₀、b₂与c₀三对接线端之间；调节器采用整流二极管D₁-D₆联成输入端与a₀、b₀、c₀联接的三相整流桥，或用D₁-D₄、D₅-D₈、D₉-D₁₂每组4只整流管联成三个单相整流桥，并以直流正端接正极方式在三相整流桥直流端联接一只可关断电子元件T_1，或在三个单相整流桥直流端依次联接T₁、T₂、T₃三只可关断电子元件。

所述的二次绕组的三相星形与V形的组合接线方式是将中柱绕组的W_a20末端、W_b20首端、W_c20末端相联成中性点的星形接线，边柱绕组的W_b10与W_b30两末端、W_c10与W_c30两首端、W_a10与W_a30两首端分别相联，并将其相联点依次同W_a20首端、W_b20末端、W_c20首端依次联接成单二次组合接线；

所述的二次绕组的六相星形与环形组合接线是将W_a20与W_a21、W_b20与W_b21、W_c20与W_c21三对中柱绕组以相同的首端方向串联，将其三个相联点联成一体而引出中性端0，六对边柱绕组按照W_a11首端---W_a31首端（c₂）---W_c30末端---W_c10末端（b₀）---W_b11末端---W_b31末端（a₂）---W_a30末端---W_a10末端（c₀）---W_c11首端---W_c31首端（b₂）---W_b30首端---W_b10首端（a₀）的绕组顺序及首末端方同联成闭合回路，将W_a20首端同W_c10与W_b11联接点相联而将六星形接线与环形接线对应联接成双二次绕组组合接线。

本发明九柱组合铁心变压器所述的垂直组合铁心是用四条横轭与九个立柱T_a1-T_c3组合为三层具有六个窗口的结构，其横轭与立柱的铁心截面积取1—1.1：1的比例；所述的三只（组）电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃的额定电压与二次输出的最高电压取1.1-1.4：1的比例，其总容量与变压器容量取0.5-2：10的数值比例；所述的单相或三相调节器的可关断电子元件是IGBT或IEGT，其集电极联于整流桥的正极端，发射极联于负极性端，并用5-10KHZ的三角形载波频率进行PWM控制。

本发明的工作原理是：三只三柱式铁心共用中间横轭的三层组合结构，在其上、中、下铁心分别的三个心柱上的一次绕组采用末—末或首—首端的串联接线方式时，形成了中柱磁通一分为二而分别经由两边柱铁心构成回路及中柱绕组电势为边柱绕组2倍的初始关系，并由边柱磁通量为中柱磁通量的1/2数值形成了边柱磁通及电势相量能够曲折转移的基础条件；中柱的三个二次绕组构成电势相量对称且基本恒定的星形相量，在图1的W_c20、W_a20、W_b20非中性端上分别联接的W_a30与W_a10、W_b30与W_b10、W_c30与W_c10三对V形接线的边柱绕组构成了引出三个二次输出端与三个调节端的单组合接线，在其调节端用三相桥式整流的调节器逐渐向中性端闭合时，三个二次输出端对应向超前方向逐渐转移π/3相角；三个左边柱二次绕组W_a10、W_b10、W_c10在初始的W_a1、W_b1、W_c1左边柱一次绕组的电磁感应下产生相位与中柱绕组互差π相角而数值为后者1/2的电势相量，在三个调节端向中性点接近的调节中，对应的绕组中叠加了滞后π/2角度（垂直）的电流，使得左边柱一、二次绕组的电势相量及其铁心中的磁通向滞后方向转移，并由此在磁通平衡的作用中促使右边柱的磁通相量向超前方向转移；每层的左、中、右三个立柱铁心始终保持中柱磁通相量等于两边柱磁通相量的关系，这在左边柱的磁通向滞后方向转移时，右边柱的磁通势必向超前方向转移及数值增大，例如在图1的W_a10左边柱绕组的c₀端向0点接近时，相对于W_a1绕组电流相量垂直π/2角度的W_a10绕组电流势必在其磁通相量向滞后方向变化时，使其右边柱绕组W_a30电势及其磁通对等地向超前方向转移，在c₀端与0点闭合时，W_a10与W_c20磁通相量相同，W_a30绕组电势较初始时向超前方向转移，其电势值增大1.732倍；在中层铁心上的三个一次绕组W_b1、W_b2、W_b3的通流方向与上、下层是相反的，以此使得流经第二、第三两个横轭中的磁通相量形成不同相磁通的正向叠加关系，例如W_a2绕组产生的磁通流经第二横轭是从左往右的方向，W_b2绕组产生的磁通也是从左往右的方向，两者叠加仅发生相位变化而不使其数值增大，从而用接近于立柱的横轭截面的铁心为两组铁心提供共同的磁通回路；在初始的末调节也末带负荷阶段，c₂与c₀、a₂与a₀、b₂与b₀三对端点之间的电压值为零，二次输出端的电压值最低，在三个调节端向0点接近的调节中，三对端点之间的电压值相应增大，三个二次输出端的电压也对应增大，其最大输出电压值可较初始时增大至2倍值；采用三相整流桥与一只可关断元件构成的直流斩波式调节电路，利用其脉冲宽度的变化使其直流两端及其三相输入端的交流电压平滑地变化，也利用各整流管分别通流2/3π及间隔π/3角度自然换流的特点，使得三相交流电压调节及变压器的有载电压调节变成简易的单向直流调节；可关断元件T1与电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃两者互相配合才能进行其快速的通断控制，利用跨接于调节端与输出端的电容器对可关断元件截止（断流）时的电感电流形成续流回路，并产生无功补偿与输出滤波的综合效应。

本发明用四个横轭与九个立柱构成三层组合式铁心，利用中柱磁通经由两个边柱构成的导磁回路形成了中柱绕组电势基本不变而边柱绕组电势可变的调节基础，并用边柱绕组经调节器向中性点接近的调节方式，使得中柱绕组与边柱绕组串联形成的二次输出电压具有正负25%额定电压的调压范围，并在调节器未投入工作时具有较高的阻抗电压百分数与较小的铁心损耗。本发明采用九柱式铁心与曲折接线绕组及脉冲控制方式、在电压的变换中同时进行无级与有载的电压调节，具有变压与稳压双重功能，并有调压的响应时间小于30ms及造价较低的优点，适宜制作320KVA以上较大功率的电力变压器，电炉变压器和整流变压器。

附图说明

图1是本发明单绕组主电路接线图。

图2是九柱式铁心组合示意图。

图3是本发明双绕组主电路接线图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，采用三只（组）三柱式且心柱截面积相等的T_a1、T_a2、T_a3、T_b1、T_b2、T_b3、T_c1、T_c2、T_c3九个心柱，并用截面积与心柱截面相等的四个横轭垂直组合为图2所示的三层式铁心结构，其硅钢片叠合采用现行的全斜及半斜接缝工艺；在其三个（左）边柱铁心T_a1、T_b1、T_c1上依次套装W_a1与W_a10、W_b1与W_b10、W_c1与W_c10三个一次与三个二次边柱绕组，在中柱铁心T_a2、T_b2、T_c2、上依次套装中柱绕组的W_a2与W_a20、W_b2与W_b20、W_c2与W_c20三个一次与三个二次绕组，在三个（右）边柱铁心T_a3、T_b3、T_c3上依次套装W_a3与W_a30、W_b3与W_b30、W_c3与W_c30三个一次与三个二次绕组，其中九个一次绕组的匝数相同，九个二次绕组匝数也相同，各心柱上分别套装同一绕向且首端“·”统一于线圈上端的一个一次绕组与一个二次绕组；在上、中、下三层铁心上分别套装的三个一次绕组按照W_a1首端——W_a2末端——W_a3首端、W_b1末端——W_b2首端——W_b3末端、W_c1首端——W_c2末端——W_c3首端的顺序相联成三个串联支路，再将三个一次电源端A₁、B₁、C₁依次同W_a1首端与W_c3末端、W_b1末端与W_a3末端、W_c1首端与W_b3末端分别相联而成串联三角形接线，其中的中层铁心上的三个一次绕组与上、下层铁心上的绕组的通入电流方向相反；三个中柱绕组W_a20末端、W_b20首端、W_c20末端相联成中性点为0的星形接线，中、下、上层的边柱绕组W_b10与W_b30两末端、W_c10与W_c30两首端、W_a10与W_a30两首端分别相联，并将其相联依次同W_a20首端、W_b20末端、W_c20首端分别相联成单二次绕组组合接线，并依次将非相联的各边柱二次绕组引出a₀与a₂、b₀与b₂、c₀与c₂三个调节端与三个二次输出端；三个电力电容器c₀₁、c₀₂、c₀₃依次联接在c₂与b₀、a₂与c₀、b₂与a₀三对接线端之间，其额定电压与二次输出电压取1.4：1的比例，三只单相电容器与变压器两者的总容量（KVAR：KVA）取2：10的数值比例；调节器用六只整流二极管D₁-D₆联接成三相整流桥，并在其直流两端以正端接集电极及负端接发射极方式联接一只绝缘栅双极晶体管IGBT，并用10KHz的三角形载波频率进行脉冲宽度调制，有关控制的二次环节延用现行技术及组件，在其脉冲宽度逐渐增大的控制中，可使其三个输入端的交流电压值逐渐接近于零，三个二次输出端输出较初始电压为2：1的最高电压，用其可达到正负25%额定电压的调压范围。本实施例适宜制作稳压型配电变压器及电弧炉变压器。

实施例2：采用垂直组合的由九个心柱与四条横轭构成的三层式铁心结构，如图2、图3所示，其心柱截面积与横轭截面积取1：1.1的比例，硅钢片采用全斜接缝与直角接缝配合的叠合结构，三只三相铁心的设计及组装同于现行技术；在T_a1与 T_a2与T_a3上层铁心、T_b1与T_b2与T_b3中层铁心、T_c1与T_c2与T_c3下层铁心的共为九个心柱上分别套装一个一次绕组与两个二次绕组，每个心柱上套装的三个绕组对应为W_a1与W_a10与W_a11、W_a2与W_a20与W_a21、W_a3与W_a30与W_a31、W_b1与W_b10与W_b11、W_b2与W_b20与W_b21、W_b3与W_b30与W_b31、W_c1与W_c10与W_c11、W_c2与W_c20与W_c21、W_c3与W_c30与W_c31；九个一次绕组的匝数相同，十八个二次绕组的匝数也相同，一、二次绕组采用同一绕向且统一的首端方向及位置；一次绕组按照W_a1首端——W_a2末端——W_a3首端、W_b1末端——W_b2首端——W_b3末端、W_c1首端——W_c2末端——W_c3首端的顺序联成三个串联支路，再将三个一次电源端依次同W_a1首端与W_c3末端、W_b1末端与W_a3末端、W_c1首端与W_b3首端分别相联成串联三角形接线，其中位于中层铁心柱上的三个一次绕组通入电流的方向与上、下两层一次绕组的方向相反；二次绕组的六相星形与环形组合接线是将三对中柱绕组W_a20与W_a21、W_b20与W_b21、W_c20与W_c21以相同的首端方向分别串联，将其串联点相联而成六相星形及其中性点为0的接线，六对边柱绕组按照W_a11首端——W_a31首端（c₂）——W_c30末端——W_c10末端（b₀）——W_b11末端——W_b31末端（a₂）——W_a30末端——W_a10末端（c₀）——W_c11首端——W_c31首端（b₂）——W_b30首端——W_b10首端（a₀）的绕组顺序及首末端方向联成闭合的环形接线，将W_a20首端同W_c10与W_b11联接端相联而将六相星形接线的其余五个接线端与环形接线分别相联成对称的双二次绕组的组合接线，并如图3引出a₂、b₂、c₂三个二次输出端与a₀、b₀、c₀三个调节端；三只单相电力电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃依次联接在c₂与a₀、a₂与b₀、b₂与c₀三对接线端之间，其额定电压与变压器二次输出的最高电压取1.1：1的比例，总的容量（KVAR）与变压器额定容量（KVA）取0.5：10的数值比例；三只单相调节器用三组整流二极管D₁-D₄、D₅-D₈、D₉-D₁₂每四只为一组联成单相整流桥，并在其直流两端以集电极联正端方式分别联接一只IEGT注入增强型晶体管T₁、T₂、T₃进行脉冲宽度调制，其单相整流桥的输入端依次同c₀与0、a₀与0、b₀与0联接，三角形载波频率取5KHz。

双二次绕组组合接线的工作原理是：中层三个立柱一次绕组采用与上、下层一次绕组相反的接线方式，使其沿中间二个横轭的磁通与上、下层的磁通是不同相磁通的正向叠加关系，以此用共用横轭为不同相（组）的绕组提供共用的磁路；六星形与环形接线联成的组合接线，在调节器未投入及未带负载时是六星形与正六边形绕组电势相量的初始相量关系，随调节器导通脉宽的增大，三个二次输出端的电压值相应增大，而且三个调节端与中性之间的距离与输出端增大的距离相等，在调节端分别与0闭合时，W_a11与W_a31、W_b11与W_b31、W_c11与W_c31两绕组之间的电势夹角为60度，并较初始电压值升高至2倍值。双联二次绕组较单二次绕组更宜保持二次绕组中电流的平衡及绕组的充分利用；采用同一层铁心的两边柱绕组进行相互作用的电压调节，利用磁通移相方式使其变压器的有载电压调节避免了调压器件承受高电压所带来的诸多问题，并以其连续平滑的可分相的PWM调节方式使其具有变压与稳压的双重功能。

Claims

1.一种九柱组合铁心变压器，包括一次绕组、二次绕组、电容器、调节器和三只三柱式铁心；其特征是：三只三柱式铁心共有截面积相等的T_a1、T_a2、T_a3、T_b1、T_b2、T_b3、T_c1、T_c2、T_c3九个铁心心柱，采用垂直组合方式叠合成三层铁心结构，在其九个铁心心柱上依次套装一次绕组W_a1、W_a2、W_a3、W_b1、W_b2、W_b3、W_c1、W_c2、W_c3，并在其九个铁心心柱上依次套装一个二次绕组W_a10、W_a20、W_a30、W_b10、W_b20、W_b30、W_c10、W_c20、W_c30，或在九个铁心心柱上依次套装两个二次绕组W_a10与W_a11、W_a20与W_a21、W_a30与W_a31、W_b10与W_b11、W_b20与W_b21、W_b30与W_b31、W_c10与W_c11、W_c20与W_c21、W_c30与W_c31；九个一次绕组的结构、线圈匝数及绕向相同，二次绕组的九个或十八个绕组结构、匝数及绕向也相同；套装于上、中、下三层铁心心柱的一次绕组按照W_a1首端---W_a2末端---W_a3首端、W_b1末端---W_b2首端---W_b3末端、W_c1首端---W_c2末端---W_c3首端的绕组顺序相联成三个串联支路，再将三个一次电源端A₁、B₁、C₁依次同W_a1首端与W_c3末端、W_b1末端与W_a3末端、W_c1首端与W_b3末端分别相联成串联三角形接线；二次绕组的三个中柱绕组联接成三相星形而同三对V形接线的边柱绕组联成单组合接线，或者是二次绕组的六个中柱绕组联成六相星形与六对边柱绕组的环形组合接线，并引出a₂、b₂、c₂三个二次输出端与a₀、b₀、c₀三个调节端；电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃依次联接在c₂与b₀、a₂与c₀、b₂与a₀三对接线端之间，或者联接在c₂与a₀、a₂与b₀、b₂与c₀三对接线端之间；调节器采用整流二极管D₁-D₆联成输入端与a₀、b₀、c₀联接的三相整流桥，或用D₁-D₄、D₅-D₈、D₉-D₁₂每组四只整流管联成三个单相整流桥，并以直流正端接正极方式在三相整流桥直流端联接一只可关断电子元件T_1，或在三个单相整流桥直流端依次联接T₁、T₂、T₃三只可关断电子元件。

2.如权利要求1所述的九柱组合铁心变压器，其特征是所述的二次绕组的三相星形与V形的组合接线方式是将中柱绕组的W_a20末端、W_b20首端、W_c20末端相联成中性点的星形接线，边柱绕组的W_b10与W_b30两末端、W_c10与W_c30两首端、W_a10与W_a30两首端分别相联，并将其相联点依次同W_a20首端、W_b20末端、W_c20首端依次联接成单二次组合接线。

3.如权利要求1所述的九柱组合铁心变压器，其特征是所述的二次绕组的六相星形与环形组合接线是将W_a20与W_a21、W_b20与W_b21、W_c20与W_c21三对中柱绕组以相同的首端方向串联，将其三个相联点联成一体而引出中性端0，六对边柱绕组按照W_a11首端---W_a31首端（c₂）---W_c30末端---W_c10末端（b₀）---W_b11末端---W_b31末端（a₂）---W_a30末端---W_a10末端（c₀）---W_c11首端---W_c31首端（b₂）---W_b30首端---W_b10首端（a₀）的绕组顺序及首末端方同联成闭合回路，将W_a20首端同W_c10与W_b11联接点相联而将六星形接线与环形接线对应联接成双二次绕组组合接线。

4.如权利要求1或2所述的九柱组合铁心变压器，其特征是所述的垂直组合铁心是用四条横轭与九个立柱T_a1—T_c3组合为三层具有六个窗口的结构，其横轭与立柱的铁心截面积取1-1.1：1的比例。

5.如权利要求1或2所述的九柱组合铁心变压器，其特征是所述的三只（组）电容器C₀₁、C₀₂、C₀₃的额定电压与二次输出的最高电压取1.1-1.4：1的比例，其总容量与变压器容量取0.5-2：10的数值比例。

6.如权利要求1或2所述的九柱组合铁心变压器，其特征是所述的单相或三相调节器的可关断电子元件是IGBT或IEGT，其集电极联于整流桥的正极端，发射极联于负极性端，并用5-10KHZ的三角形载波频率进行PWM控制。