CN104064332A - 低杂散辐射的高效能电力变压器 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的高效能电力变压器，通过改变绕组的分布方式及绕组中电流的流动方向，提高初次级绕组间的耦合磁通，同时降低外部合成磁通的强度；改变传统变压器通过初级绕组外部合成磁通向次级绕组传输能量的模式，利用初级绕组的内部层间合成磁通向次级绕组传输能量，此时初级绕组的外部合成磁通与能量传输完全无关，实现了传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离，通过诸多技术手段可以对产生电磁干扰的合成磁通进行削弱和屏蔽，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低杂散辐射所造成的电磁干扰。

Description

低杂散辐射的高效能电力变压器

技术领域

本发明涉及电力变压器技术。尤其涉及低杂散辐射的高效能电力变压器。

背景技术

电力是人们生产、生活中不可或缺的能源。我们使用的电能绝大多数都是由发电厂提供，为了减少电能从发电厂输送到用户过程中的损失，采用了高压电进行输送。那么，高压电网与用户之间就必须使用电力变压器进行电压变换，保证输送到用户的是符合国家标准的电源。

由于输送电压和功输送率的要求，电力变压器的绕组都由成百上千匝组成，传统电力变压器的同一级绕组采用集束式绕组工艺，且每组绕组的电流是同相的，绕组内部线圈的磁通相互抵消，只有绕组外围线圈的合成磁通相互增强，而初次级绕组之间的能量是依靠初级绕组的合成磁通进行传输的，所以传统电力变压器的能量传输效率存在很大的提升空间。

2011年我国全社会用电量46,928亿千瓦时，如果将电力变压器的传输效率每提升10％——减少10％的损耗或浪费，就相当于建设一座年发电4,692.8亿千瓦时的虚拟发电厂；如果再考虑到发电厂电能输出使用的升压变压器的话，实际获得双倍的效益——电力变压器的传输效率每提升10％，相当于建设一座年发电4,692.8亿千瓦时×2＝9,385.2亿千瓦时的虚拟发电厂，将会带来非常巨大的经济效益和社会效益。

本发明可以将传统电力变压器的传输效率提升30～80％，功率密度提高3～10倍，电磁干扰降低1～3个数量级。

发明内容

本发明所涉及的高效能电力变压器，颠覆了传统电力变压器的结构，通过改变绕组的分布方式及绕组中电流的流动方向，提高初次级绕组间的耦合磁通，利用初级绕组的内部层间合成磁通3-3向次级绕组2-3传输能量，初级绕组的外围合成磁通3-2与能量传输完全无关，实现了传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离，在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低杂散辐射所造成的电磁干扰。

通电导体的周围会产生磁场，磁通的方向遵循安培定则。

传统电力变压器的初级绕组的绕制工艺都是同向多层集束式绕制，从绕组的径向切面图中可以清楚地看出：绕组的匝间磁通3-5是相互抵消的，而绕组的外围磁通3-2是相互增强的，利用铁芯聚拢磁力线的流通，初级绕组与次级绕组之间是通过初级绕组的外围磁通3-2的总合成磁通3-4进行耦合的；仅有位于初级绕组外围导线的合成磁通参与能量传输，位于初级绕组内部的线圈由于所产生的磁通3-5相互抵消，它们不参与能量传输。

初级绕组的总合成磁通3-4在与初级绕组耦合的同时，不可避免地产生杂散辐射——电磁干扰(EMI)，而且变压器的功率越大，初次级间传输的能量越大，初级绕组产生的外部磁通就越强，所造成的电磁干扰也就越强。

传统变压器中，初次级绕组间进行能量传输的磁通与产生电磁干扰的磁通是同一个磁通，在传输大功率电力能量的同时，不可避免地会产生非常强的电磁干扰，且很难有效降低或抑制这个电磁干扰。

本发明非常简单地解决了传统电力变压器存在的上述问题，成功地将传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离，在高效率传输大功率电能的同时，有效降低并抑制所产生的电磁干扰。

本发明将初级绕组的层间电流反相，并将次级绕组内嵌在初级绕组的层间，利用初级绕组层间增强了的磁通3-3向次级绕组传输能量，而产生电磁干扰的初级绕组外围合成磁通3-2被大大减弱，实现了传输能量的磁通与产生电磁干扰的磁通完全剥离。

初级绕组的层间电流反相后，只有最外层的匝间合成磁通3-6会产生绕组的外部磁通，层间的外部磁通3-2相互抵消，此时初级绕组总合成磁通3-4被大幅衰减；而传输能量的层间的内部磁通3-3是相互增强的。有效设计初次级绕组的结构和相互位置及电流分布，就可以在提升变压器传输效率和功率密度的同时，将杂散辐射降至最低，而且杂散辐射的强度仅与变压器的结构和工艺有关，与变压器的功率及传输效率没有直接关联。

如果在初级绕组的最顶层和最底层绕组外面设计屏蔽层，就可以将已经大幅削弱了的电磁干扰磁通再进行有效的抑制，使得电磁干扰能够按数量级减小。

单层绕制的初级绕组所产生的磁通是与绕组平面平行的，此时采用平面铁芯的效率会远远高于传统的效率，在平面铁芯的外围缠绕有与铁芯相同材料的封闭环形外壳，在闭合层间磁通的同时起到保护线圈绕组的功能。

附图说明

图1：传统变压器绕组结构及磁通示意图

1——铁芯；

2——绕组导线；

3——磁通；

3-1——导线磁通；

3-2——绕组外围合成磁通；

3-4——总合成磁通。

图2：层间电流反相绕组的磁通示意图

3-1——导线磁通；

3-2——绕组外围合成磁通；

3-3——绕组内部层间合成磁通；

3-4——总磁通。

图3：传统铁芯单层绕组结构示意图

1-1——传统变压器铁芯；

2-1——初级绕组I；

2-2——初级绕组II；

2-3——次级绕组I。

图4：单层绕组合成磁通示意图

3-1——导线磁通；

3-2——绕组外围合成磁通；

3-5——匝间内部合成磁通。

图5：初次级绕组单层间绕且初级绕组层间电流反相磁通示意图

1-1——初级绕组；

1-2——次级绕组；

3-1——导线磁通；

3-2——绕组外围合成磁通；

3-3——绕组内部层间合成磁通；

3-4——总磁通；

3-5——匝间内部合成磁通；

3-6——最外层匝间合成磁通。

图6：平面铁芯单层绕组结构示意图

1-2——最外层平面铁芯；

1-3——中间层平面铁芯；

2-1——初级绕组I；

2-2——初级绕组II；

2-3——次级绕组I。

图7：平面铁芯变压器外观示意图

1-2——最外层平面铁芯；

1-4——环形外壳；

4-1——初级绕组接线端子；

4-2——次级绕组接线端子。

具体实施方式

实施方式一：传统铁芯单层绕组层间电流反相电力变压器。

初级绕组制作成单层结构，将同样是单层结构的次级绕组采取必要的绝缘措施后，内嵌到初级绕组的层间，初级绕组的层数比次级绕组多1层——初级绕组的层数为N层时，次级绕组的层数就是N-1层。堆叠的顺序为：第1层初级绕组、第2层次级绕组、第3层初级绕组、第4层次级绕组……最后一层是初级绕组。

初级绕组的接线原则是：相邻两层绕组的电流必须反相。即：第1层和第3层是初级绕组，电流反相；第5层的电流与第3层电流反相……。

次级绕组有非常多的接线方式，可以根据输出电压和输出功率的要求非常灵活地进行组合。

将制作完成的绕组总成装配到传统形状的铁芯上，利用铁芯的高导磁性能闭合初级绕组外围合成磁通3-2及总合成磁通3-4，该铁芯可以很好地保护线圈绕组。

如果对电磁干扰指标有较严格的要求，可以在最底层和最顶层分别嵌入屏蔽层。该屏蔽层设计有防止产生涡流的绝缘缝隙及接地连接端子，接地连接端子可以根据实际情况进行接地或者悬空。

实施方式二：平面铁芯单层绕组层间电流反相电力变压器。

初级绕组制作成单层结构，将同样是单层结构的次级绕组采取必要的绝缘措施后，内嵌到初级绕组的层间，初级绕组的层数比次级绕组多1层——初级绕组的层数为N层时，次级绕组的层数就是N-1层。堆叠的顺序为：第1层初级绕组、第2层次级绕组、第3层初级绕组、第4层次级绕组……最后一层是初级绕组。

初级绕组的接线原则是：相邻两层绕组的电流必须反相。即：第1层和第3层是初级绕组，电流反相；第5层的电流与第3层电流反相……。

在堆叠线圈绕组时，每层绕组间嵌入平面铁芯1-3，绕组的最顶层和最底层装配平面铁芯1-2，装配完成的绕组总成外面缠绕与铁芯相同材料的封闭环形外壳，该外壳在闭合层间磁通的同时起到保护线圈绕组的功能。

次级绕组有非常多的接线方式，可以根据输出电压和输出功率的要求非常灵活地进行组合。

Claims (6)

1.低杂散电磁辐射的高效能电力变压器。其特征是：根据安培定律及有关电磁学原理，合理分布电力变压器的初次级绕组及设定绕组中电流的流动方向，使得电力变压器初级绕组内部的层间合成磁通相互增强，将传统变压器通过初级绕组的外部合成磁通向次级绕组传输能量的模式，更改为利用初级绕组内部的层间磁通向次级绕组传输能量，而产生电磁干扰的外部磁通不参与能量传输，将传输能量的磁通与传输电磁干扰的磁通完全剥离。在有效提升变压器传输效率和功率密度的同时，大幅降低变压器因外部磁通的杂散辐射而造成的电磁干扰。如果需要，在绕组的最底层和最顶层分别内嵌屏蔽层，可以更加有效地降低残留的外部合成磁通产生的电磁辐射。

变压器的铁芯可以沿用传统结构，采用平面铁芯可以更有效地发挥本发明所涉及的绕组间能量传输的优势。

2.按照权利要求1所述合理分布电力变压器的初次级绕组。其特征是：将初级绕组制作成单层结构，在单层初级绕组之间嵌入单层结构的次级绕组，初级绕组的层数比次级绕组多一层(次级绕组为N层，则初级绕组为N+1层)，且绕组堆叠时，最顶层和最底层都是初级绕组层。

3.按照权利要求1所述设定绕组中电流的流动方向。其特征是：相邻两层初级绕组的电流必须反相。即：第1层和第3层是初级绕组，电流反相；第5层的电流与第3层电流反相。

4.按照权利要求1所述的电力变压器初级绕组内部的层间合成磁通相互增强，而外部的层间合成磁通相互抵消。其特征是：相邻初级绕组层的电流为反相，其层间合成磁通是相互增强的，最顶层和最底层的外部合成磁通也是相互增强的，而外部的层间合成磁通会相互抵消。内嵌在初级绕组层间的次级绕组利用初级绕组层间磁通进行能量传输，产生电磁干扰的层间外部磁通被大幅削减，而这部分磁通不参与能量转换，为进一步降低杂散磁通造成的电磁辐射提供了有效的解决途径。

5.按照权利要求1所述的适当内嵌屏蔽层可以更加有效地降低残留的外部合成磁通产生的电磁辐射。其特征是：变压器在其最顶层和最底层嵌入电磁屏蔽层，该屏蔽层为与初级绕组相似形状的平面结构，且在平面上设计有防止产生涡流的绝缘缝隙，该屏蔽层设计有接地端子，实际应用中根据情况接地或者悬空。

6.按照权利要求1所述的平面铁芯可以更有效地增强变压器的效能。其特征是：在堆叠线圈绕组时，每层绕组间都嵌入平面铁芯，绕组的最顶层和最底层也装配平面铁芯，装配完成的绕组总成为平面铁芯逐层间隔开的单层绕组，总成外面缠绕与铁芯相同材料的封闭环形外壳，该外壳在闭合层间铁芯磁通的同时起到保护线圈绕组的功能。