CN104201903B - 一种多功能变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有变压器功能、并联电抗器功能、限流器功能的多功能变压器。总体体积小、成本低。它包括并联直流饱和电抗器，至少有两个二次交流线圈，多功能变压器控制电路；直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，铁芯柱上分别有二次交流线圈；两个二次线圈匝数相等，两个二次线圈正向串联；两个二次线圈剩余的两个端子作为多功能变压器二次线圈单相电压输出端子。继电保护装置与多功能变压器控制电路连接，多功能变压器控制电路完成电抗值和限流的控制。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种多功能变压器。
背景技术
电力变压器在电力系统中的应用非常广泛。电力变压器可把高电压变换为低电压，也可把低电压变换为高电压。
并联电抗器在电力系统中的应用也很广泛。并联电抗器可限制过电压；电抗器与电容联合可构成电力系统无功调节电路。在一些应用领域，并联电抗器的电抗值是固定不变的；在一些应用领域，电抗器的电抗值应随着电力系统运行方式的变化而不断调节。电抗值可以连续调节的可控饱和电抗器简称为饱和电抗器或磁控电抗器。
电力系统发生短路引起的短路电流对电力系统的危害是很大的。限制短路电流可减小电力设备在短路时的损害程度，提高电力系统的可靠性。多年以来，限流器的研究一直是热门课题。
至今，电力变压器、并联电抗器、限流器这三种设备都是分别研究，分别制造。三种设备分别都有较大的铁芯，都需要匝数较多的线圈。如果一座变电站同时需要电力变压器、并联电抗器、限流器这三种设备，则三台设备的总和，体积大、铁芯重、价格高、占地面积大。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种具有变压器功能并兼有并联电抗器功能和/或限流器功能的多功能变压器。
为实现上述目的，本发明采用如下方法：
一种多功能变压器，它为单相多功能变压器，包括单相直流饱和电抗器铁芯；单相直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方的磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，其中两个铁芯柱上各自分别有至少一个二次交流线圈；各二次线圈匝数相等，铁芯柱间的各二次线圈正向串联；各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈单相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
所述各一次交流线圈的同名端、各直流线圈的同名端连接作为一次线圈端子I；
各一次交流线圈的剩余端分别通过相应的可控电阻M1、M2连接一次线圈端子II2，一个直流线圈的剩余端经过正向的晶闸管D1连接一次线圈端子II，另一个直流线圈的剩余端经过反向的晶闸管D2连接一次线圈端子II；
晶闸管D1和晶闸管D2的触发端子分别连接控制电路I，控制电路I控制晶闸管D1和晶闸管D2触发角的大小，实现连续调节晶闸管D1和晶闸管D2整流量的大小；实现一次交流线圈电抗值的连续调节，一次交流线圈电抗值在最大值与最小值之间调节、变化。
一种多功能变压器，它为三相多功能变压器，包括三相直流饱和电抗器，三相直流饱和电抗器含有三相直流饱和电抗器铁芯，三相直流饱和电抗器铁芯至少有六根截面积相等的铁芯柱，A、B、C相各分配两根铁芯柱，六根铁芯柱两端由磁轭连接，任何两根铁芯柱相互之间都可通过两端的磁轭形成磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，六根截面积相等的铁芯柱上各自有至少一个二次交流线圈，各二次线圈匝数相等；A、B、C相两个二次线圈各自正向串联；A、B、C相各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈A、B、C相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
所述控制电路与限流用继电保护装置连接；所述继电保护装置检测到电力系统发生短路后，通过控制电路对可控电阻和晶闸管的切合控制，使各一次交流线圈与各二次交流线圈之间的漏抗增大，从而减小外部短路电流值；实现限流器功能。
所述可控电阻包括：电阻R1的两端作为可控电阻的两端，晶闸管D3、晶闸管D4反向并联后，与电阻R1并联；压敏电阻R2与电阻R1并联；晶闸管D3、晶闸管D4的触发端连接控制电路II，控制电路II有导线与外部连接，控制电路II接受外部控制。
所述各铁芯柱上二次交流线圈与一次交流线圈之间的匝数比等于N，则多功能变压器二次线圈端子I与二次线圈端子II向负荷提供的额定电压为2NU1；改变各二次交流线圈与一次交流线圈之间的匝数比N，则可改变多功能变压器二次线圈端子I与二次线圈端子II之间的额定电压。
一种多功能变压器，它为单相多功能变压器，包括单相变压器，嵌套单相多功能变压器；单相变压器一次线圈与嵌套单相多功能变压器一次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为单相电压输入端子；单相变压器二次线圈与嵌套单相多功能变压器二次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为单相电压输出端子；
连续调节嵌套单相多功能变压器电抗值，单相变压器一次线圈两端电压随之连续变化，单相变压器铁芯饱和程度连续变化，实现单相电压输入端子电抗值的连续改变；
利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
所述嵌套单相多功能变压器包括包括单相直流饱和电抗器铁芯；单相直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方的磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，其中两个铁芯柱上各自分别有至少一个二次交流线圈；各二次线圈匝数相等，铁芯柱间的各二次线圈正向串联；各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈单相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
一种多功能变压器，它为三相多功能变压器，包括：三相变压器，嵌套三相多功能变压器；三相变压器A、B、C相一次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相一次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为三相多功能变压器A、B、C相电压输入端子；三相变压器A、B、C相二次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相二次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为三相多功能变压器二次侧A、B、C相电压输出端子；
连续调节嵌套三相多功能变压器电抗值，三相变压器一次线圈两端电压随之连续变化，三相变压器铁芯饱和程度连续变化，实现三相多功能变压器三相电压输入端子电抗值的连续改变；
利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
所述嵌套三相多功能变压器包括：三相直流饱和电抗器，三相直流饱和电抗器含有三相并联直流饱和电抗器铁芯，三相直流饱和电抗器铁芯至少有六根截面积相等的铁芯柱，A、B、C相各分配两根铁芯柱，六根铁芯柱两端由磁轭连接，任何两根铁芯柱相互之间都可通过两端的磁轭形成磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，六根截面积相等的铁芯柱上各自有至少一个二次交流线圈，各二次线圈匝数相等；A、B、C相两个二次线圈各自正向串联；A、B、C相各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈A、B、C相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
所述嵌套多功能变压器二次电压与一次电压的电压比N，变压器二次电压与一次电压的电压比等于N。
所述多功能变压器的额定电压为U1；其中，嵌套多功能变压器额定电压为U2；变压器一次线圈额定电压为(U1-U2)，U2小于U1。
所述嵌套单相多功能变压器一次侧两输入端之间并联电容C1。
所述嵌套三相多功能变压器A、B、C相一次侧两输入端之间分别并联电容C1A、C1B、C1C。
本发明的有益效果是：多功能变压器在一台并联饱和电抗器铁芯的基础上，实现变压器功能、并联电抗器功能、限流器功能。减小了设备总体体积、减轻了设备总体铁芯重量、减低了设备总体价格、减小了设备总体占地面积。
第二种单相多功能变压器比第一种单相多功能变压器体积小、重量轻、价格低。交流饱和电抗器的优点，第二种单相多功能变压器也具备。
附图说明
图1表示第一种单相多功能变压器。
图2表示一种可控电阻。
图3表示第二种单相多功能变压器。
图4表示第一种三相多功能变压器。
图5表示第二种三相多功能变压器。
其中，1.一次线圈端子I，2.一次线圈端子II，3.二次线圈端子I，4.二次线圈端子II，5.铁芯，6.控制电路I，7.继电保护装置，8.端子I，9.端子II，10.变压器铁芯，11.三相直流饱和电抗器铁芯I，12.三相直流饱和电抗器铁芯II，13.三相控制电路，14.三相继电保护装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
第一种单相多功能变压器是在单相直流饱和电抗器基础上构成的。第一种单相多功能变压器包含单相直流饱和电抗器铁芯，单相直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方铁芯柱的磁通闭环。其中一根铁芯柱上有一次交流线圈，直流线圈；另一根铁芯柱上也有一次交流线圈，直流线圈；两根铁芯柱上的一次交流线圈匝数相等，两根铁芯柱上的直流线圈匝数相等。直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现交流线圈电抗值的连续改变。
第一种单相多功能变压器的典型结构与连接方式如图1所示。包括铁芯5，可控电阻M1，可控电阻M2，控制电路I6，一次线圈端子I1，一次线圈端子II2，二次线圈端子I3，二次线圈端子II4。铁芯5至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方铁芯柱的磁通闭环。其中一根铁芯柱上有一次交流线圈L1，直流线圈L2和二次交流线圈L3，另一根铁芯柱上有一次交流线圈L4，直流线圈L5和二次交流线圈L6。一次交流线圈L1与一次交流线圈L4的匝数相等，直流线圈L2与直流线圈L5的匝数相等，二次交流线圈L3与二次交流线圈L6的匝数相等；一次交流线圈L1的匝数与同电压等级变压器一次线圈匝数相等。
第一种单相多功能变压器铁芯5可以是相互没有通路的两个闭环铁芯，例如1：两个口字形铁芯。也可以是一体的，相互有通路的闭环铁芯；例如2：三根铁芯柱，铁芯柱两端有磁轭连通三根铁芯柱，任何两根铁芯柱都能够相互构成磁通闭环，但至少有两根能各自形成不经过对方铁芯柱的闭环。例如3：四根铁芯柱，铁芯柱两端有磁轭连通四根铁芯柱，任何两根铁芯柱都能够相互构成磁通闭环，但至少有两根能各自形成不经过对方铁芯柱的闭环，如图1所示。
一般情况，第一种单相多功能变压器一次线圈端子I1作为多功能变压器的高压端子，一次线圈端子II2作为第一种单相多功能变压器的低压端子(接地端子)，以此降低控制电路I6对地电压。
一次交流线圈L1同名端，直流线圈L2同名端，一次交流线圈L4同名端，直流线圈L5同名端连接一次线圈端子I1。一次交流线圈L1剩余端子经可控电阻M1连接一次线圈端子II2，一次交流线圈L4剩余端子经可控电阻M2连接一次线圈端子II2，直流线圈L2剩余端子经正向晶闸管D1连接一次线圈端子II2，直流线圈L5剩余端子经反向晶闸管D2连接一次线圈端子II2。晶闸管D1和晶闸管D2的触发端子分别连接控制电路I6，控制电路I6控制晶闸管D1和晶闸管D2触发角的大小，实现连续调节晶闸管D1和晶闸管D2整流量的大小。
第一种单相多功能变压器接入额定电压为U1的电力系统。当控制电路I6控制晶闸管D1和晶闸管D2全截止时，晶闸管D1和晶闸管D2整流电路不工作，直流线圈L2和直流线圈L5中的直流电流等于零。一次交流线圈L1与一次交流线圈L4的电抗值为最大值。
当控制电路I6控制晶闸管D1和晶闸管D2全导通时，流过直流线圈L4与直流线圈L5的直流电流达到最大设计值。一次交流线圈L1与一次交流线圈L4的电抗值为最小值。
控制电路I6控制晶闸管D1和晶闸管D2整流量的大小，可控制直流线圈L2和直流线圈L5中直流电流的大小，实现控制一次交流线圈电抗值的大小。控制电路I6连续控制晶闸管D1和晶闸管D2整流量的大小，可连续控制直流线圈L2和直流线圈L5中直流电流的大小，实现一次交流线圈电抗值的连续调节，一次交流线圈电抗值在最大值与最小值之间调节、变化。
可见第一种单相多功能变压器具有单相并联直流饱和电抗器功能。
一种可控电阻如图2所示。电阻R1的两端作为可控电阻的两端，晶闸管D3、晶闸管D4反向并联后，与电阻R1并联；压敏电阻R2与电阻R1并联。晶闸管D3、晶闸管D4的触发端连接控制电路II8，控制电路II8有导线与外部连接，控制电路II8接受外部控制电路的控制。控制电路II8触发晶闸管D3、晶闸管D4全导通时，可控电阻很小，接近等于零。控制电路II8触发晶闸管D3、晶闸管D4全截止时，可控电阻阻值最大，等于电阻R1阻值。控制电路II8连续调节晶闸管D3、晶闸管D4触发角时，可控电阻可在零与电阻R1的电阻值之间连续变化。通过控制电路II8，晶闸管D3、晶闸管D4的触发角接受外部控制电路控制。压敏电阻R2的作用是保护晶闸管D3、晶闸管D4，不被过电压脉冲损坏。可控电阻M1、可控电阻M2的作用和控制方法可参阅CN201410353026.4,不再累赘。
二次交流线圈L3与二次交流线圈L6正向串联，二次交流线圈L3与二次交流线圈L6剩余的两个端子分别连接二次线圈端子I3与二次线圈端子II4，作为二次交流线圈单相输出电压，输出电压等于2NU1。
第一种单相多功能变压器作为并联直流饱和电抗器时，不论第一种单相多功能变压器一次交流线圈L1与一次交流线圈L4电抗值如何变化，第一种单相多功能变压器一次交流线圈L1与一次交流线圈L4两端的电压基本不变，等于一次交流线圈端子I1与一次交流线圈端子II2之间的电压，即等于电力系统额定电压U1。设二次交流线圈L2与一次交流线圈L1之间的匝数比等于N，则第一种单相多功能变压器二次线圈端子I3与二次线圈端子II4向负荷提供的额定电压为2NU1。改变二次交流线圈L2与一次交流线圈L1之间的匝数比N，则可改变第一种单相多功能变压器二次线圈端子I3与二次线圈端子II4之间的额定电压。由于一次交流线圈L1与二次交流线圈L2绕在同一根铁芯柱上，一次交流线圈L1与二次交流线圈L2之间的漏抗比较小。由于一次交流线圈L4与二次交流线圈L6绕在同一根铁芯柱上，一次交流线圈L4与二次交流线圈L6之间的漏抗比较小。第一种单相多功能变压器二次线圈的负荷变化时，第一种单相多功能变压器二次线圈端子I3与二次线圈端子II4之间的电压变化较小，即负荷大小变化时，负荷两端电压变化较小。
第一种单相多功能变压器具有变压器功能。
继电保护装置7与控制电路I6连接。
当继电保护装置7检测到电力系统发生短路，需要多功能变压器限制短路电流时，向控制电路I6发信号。控制电路I6接到继电保护装置7的信号，立即向控制电路II8发指令，控制电路II8立即截止晶闸管D3、晶闸管D4；同时控制电路I6全导通晶闸管D1、晶闸管D2。第一种单相多功能变压器直流线圈L2和直流线圈L5中直流电流达最大设计值，多功能变压器铁芯处于设计的最大饱和状态，一次交流线圈L1与二次交流线圈L2之间的漏抗处于设计最大值，一次交流线圈L4与二次交流线圈L6之间的漏抗处于设计最大值。第一种单相多功能变压器一次交流线圈与二次交流线圈之间的漏抗增大，可减小外部短路电流值。
第一种单相多功能变压器具有限流器功能。
从以上描述不难看出，第一种单相多功能变压器是在单相并联直流饱和电抗器的两根截面积相等的铁芯柱上分别增加二次交流线圈L3与二次交流线圈L6，两个二次线圈匝数相等，两个二次交流线圈正向串联；两个二次交流线圈剩余的两个端子作为单相多功能变压器二次线圈单相电压输出端子。实现第一种多功能变压器的变压器功能。单相并联直流饱和电抗器的种类很多，例如：CN201410227523.X，CN201410353026.4，中国水利水电出版社2008年出版蔡宣三，高越农著《可控饱和电抗器原理、设计与应用》一书对饱和电抗器所作的总结。每一种单相并联直流饱和电抗器都可对应一种单相多功能变压器；单相多功能变压器的种类也很多。
从以上描述不难看出，第一种单相多功能变压器是在单相并联直流饱和电抗器的基础上，增加变压器功能后，再增加继电保护装置7，继电保护装置7与控制电路I6连接。控制电路I6含有单相并联直流饱和电抗器控制程序，还含有多功能变压器中限流器控制程序。以此实现多功能变压器限流器功能。
实施例2：
第一种单相多功能变压器的工作原理可以推广到第一种三相多功能变压器。第一种三相多功能变压器是在三相并联直流饱和电抗器的基础上，A、B、C三相分别各增加两个匝数相等的二次交流线圈实现三相变压器功能。增加三相变压器功能后，再增加三相继电保护装置，三相继电保护装置与三相并联直流饱和电抗器控制电路连接，实现三相限流器功能。第一种三相多功能变压器典型电路如图4所示。
第一种三相多功能变压器包括三相直流饱和电抗器铁芯I11，三相直流饱和电抗器铁芯II12，可控电阻M3，可控电阻M4，三相可控电路13，三相继电保护装置14。三相直流饱和电抗器铁芯I11有三根铁芯柱(A相铁芯柱，B相铁芯柱，C相铁芯柱)，铁芯柱两端有磁轭使三根铁芯柱相互形成磁通闭环，类似三相变压器铁芯结构。三相直流饱和电抗器铁芯I11与三相直流饱和电抗器铁芯II12并列，双三柱铁芯上端磁轭有三个横轭连接，双三柱铁芯下端磁轭有三个横轭连接，三相直流饱和电抗器铁芯I11与三相直流饱和电抗器铁芯II12被六个横轭连接成一个整体。双三柱铁芯上端磁轭的三个横轭，可以组合成一个横轭；双三柱铁芯下端磁轭的三个横轭，也可以组合成一个横轭。三相直流饱和电抗器铁芯I11与三相直流饱和电抗器铁芯II12中的六根铁芯柱还可以在一个平面上，六根铁芯柱一排，六根铁芯柱两端由磁轭连接。三相直流饱和电抗器铁芯I11与三相直流饱和电抗器铁芯II12的六根铁芯柱的截面积相等，任何两根铁芯柱相互之间都可通过两端的磁轭形成磁通闭环。
三相直流饱和电抗器铁芯I11的A相铁芯柱上有交流线圈L1A和直流线圈L2A，B相铁芯柱上有交流线圈L1B和直流线圈L2B，C相铁芯柱上有交流线圈L1C和直流线圈L2C。交流线圈L1A，交流线圈L1B交流线圈L1C的匝数相等，直流线圈L2A，直流线圈L2B，直流线圈L2C的匝数相等；交流线圈L1A，交流线圈L1B交流线圈L1C的匝数与同等电压等级三相变压器一次线圈匝数相同。
三相直流饱和电抗器铁芯II12与三相直流饱和电抗器铁芯I11相同，三相直流饱和电抗器铁芯II12上有线圈，三相直流饱和电抗器铁芯II12上线圈的结构与参数与三相直流饱和电抗器铁芯I11上的线圈相同。为表示方便，三相直流饱和电抗器铁芯II12上线圈分别表示为：A相铁芯柱上有交流线圈L4A和直流线圈L5A，B相铁芯柱上有交流线圈L4B和直流线圈L5B，C相铁芯柱上有交流线圈L4C和直流线圈L5C。
三相多功能变压器还包括：端子1A、端子1B、端子1C、端子2N；端子1A、端子1B、端子1C分别连接电力系统A、B、C相电压，端子2N为中性点，中性点可接地，也可不接地。
交流线圈L1A同名端，直流线圈L2A同名端，交流线圈L4A同名端，直流线圈L5A同名端连接端子1A；交流线圈L1B同名端，直流线圈L2B同名端，交流线圈L4B同名端，直流线圈L5B同名端连接端子1B；交流线圈L1C同名端，直流线圈L2C同名端，交流线圈L4C同名端，直流线圈L5C同名端连接端子1C。
交流线圈L1A剩余端子，交流线圈L1B剩余端子，交流线圈L1C剩余端子连接在一起后经可控电阻M3连接端子2N；交流线圈L4A剩余端子，交流线圈L4B剩余端子，交流线圈L4C剩余端子连接在一起后经可控电阻M4连接端子2N；直流线圈L2A剩余端子，直流线圈L2B剩余端子，直流线圈L2C剩余端子分别经正向晶闸管D1A，正向晶闸管D1B，正向晶闸管D1C连接端子2N；直流线圈L5A剩余端子，直流线圈L5B剩余端子，直流线圈L5C剩余端子分别经反向晶闸管D2A，反向晶闸管D2B，反向晶闸管D2C连接端子2N；晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C的触发端子分别连接三相控制电路13，三相控制电路13控制晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C触发角的大小，实现连续调节晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C整流量的大小。
设第一种三相多功能变压器额定电压为U1，接入额定电压为U1的系统。当三相控制电路13控制晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C全截止时，直流线圈L2A，直流线圈L2B，直流线圈L2C，直流线圈L5A，直流线圈L5B，直流线圈L5C中的直流电流等于零。交流线圈L1A，交流线圈L1B，交流线圈L1C，交流线圈L4A，交流线圈L4B，交流线圈L4C电抗值为最大值。
当三相控制电路13控制晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C全导通时，流过直流线圈L2A，直流线圈L2B，直流线圈L2C，直流线圈L5A，直流线圈L5B，直流线圈L5C的直流电流达到最大设计值。交流线圈L1A，交流线圈L1B，交流线圈L1C，交流线圈L4A，交流线圈L4B，交流线圈L4C的电抗值为最小值。
三相控制电路13控制晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C整流量的大小，可控制直流线圈L2A，直流线圈L2B，直流线圈L2C，直流线圈L5A，直流线圈L5B，直流线圈L5C中直流电流的大小，实现控制三相多功能变压器电抗值的大小。三相控制电路13连续控制晶闸管D1A，晶闸管D1B，晶闸管D1C，晶闸管D2A，晶闸管D2B，晶闸管D2C整流量的大小，可连续控制直流线圈L2A，直流线圈L2B，直流线圈L2C，直流线圈L5A，直流线圈L5B，直流线圈L5C中直流电流的大小，实现三相多功能变压器电抗值的连续调节，三相多功能变压器电抗值在最大值与最小值之间调节、变化，实现三相饱和电抗器功能。
三相直流饱和电抗器铁芯I11的A相铁芯柱上有二次交流线圈L3A，B相铁芯柱上有二次交流线圈L3B，C相铁芯柱上有二次交流线圈L3C。三相直流饱和电抗器铁芯II12的A相铁芯柱上有二次交流线圈L6A，B相铁芯柱上有二次交流线圈L6B，C相铁芯柱上有二次交流线圈L6C。所有二次交流线圈的匝数相等。二次交流线圈L3A与二次交流线圈L6A正向串联，二次交流线圈L3A与二次交流线圈L6A剩余的两个端子作为第一种三相多功能变压器二次侧A相电压输出端子。二次交流线圈L3B与二次交流线圈L6B正向串联，二次交流线圈L3B与二次交流线圈L6B剩余的两个端子作为第一种三相多功能变压器二次侧B相电压输出端子。二次交流线圈L3C与二次交流线圈L6C正向串联，二次交流线圈L3C与二次交流线圈L6C剩余的两个端子作为第一种三相多功能变压器二次侧C相电压输出端子。实现三相变压器功能。
第一种三相多功能变压器二次侧电压输出端子可以三角形连接，提供三次、等高次谐波通路，以改善第一种三相多功能变压器电压、电流波形。
三相继电保护装置14与三相控制电路13连接，三相控制电路13含有三相并联直流饱和电抗器控制程序，还含有三相多功能变压器中限流器控制程序。以此实现三相多功能变压器限流器功能。
实施例2与实施例1共性的部分，不再累赘。
实施例3：
第二种单相多功能变压器的结构与连接方式如图3所示。它包括：单相变压器，嵌套单相多功能变压器。嵌套单相多功能变压器是额定电压小于系统额定电压的第一种单相多功能变压器；嵌套单相多功能变压器还去除了第一种单相多功能变压器的继电保护装置7。单相变压器由一次交流线圈L7，二次交流线圈L8，变压器铁芯10构成。嵌套单相多功能变压器二次交流线圈L3与一次交流线圈L1之间的匝数比N，嵌套单相多功能变压器二次侧电压与一次侧电压比为2N。变压器二次线圈L8与变压器一次线圈L7之间的匝数比等于2N，变压器二次侧电压与变压器一次侧电压比等于2N。
变压器一次线圈L7与嵌套单相多功能变压器一次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为第二种多功能变压器电压输入端子，分别连接端子8与端子2；变压器二次线圈L8与嵌套单相多功能变压器二次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为第二种多功能变压器电压输出端子；分别连接端子9与端子4。
第二种多功能变压器一次线圈额定电压为U1；嵌套单相多功能变压器一次线圈组额定电压为U2；变压器一次线圈L7额定电压为(U1-U2)，U2小于U1。
第二种单相多功能变压器输入端子8与端子2接入额定电压为U1的电力系统，且晶闸管D1和晶闸管D2截止时，连接在一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间的一次线圈组获得电压为U2，一次交流线圈L7获得电压(U1-U2)。此时单相变压器没有饱和，铁芯5没有饱和，一次交流线圈L1、一次交流线圈L4、一次交流线圈L7呈现最大电抗。
当控制电路I6控制晶闸管D1和晶闸管D2全导通时，连接在一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间的一次线圈组合呈现最小电抗。一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间两端电压降为最低。一次交流线圈L7两端电压上升。该电压超过单相变压器一次交流线圈L7饱和电压，单相变压器一次交流线圈L7流过过饱和电流。第二种单相多功能变压器一次交流线圈L7的交流电流达到设计最大值。
控制电路I6连续调节晶闸管D1和晶闸管D2导通量的大小，连续调节连接在一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间的一次线圈组电抗值的大小，连续调节连接在一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间的一次线圈组两端的电压，可连续调节第二种单相多功能变压器一次交流线圈L7的交流电流的大小。调节第二种单相多功能变压器一次交流线圈L7交流电流的大小，也就实现调节第二种单相多功能变压器一次交流线圈电抗值的大小。
不难看出，如果忽略二次交流线圈L3、二次交流线圈L6、二次交流线圈L8，第二种单相多功能变压器实际上就是单相交流饱和电抗器。单相交流饱和电抗器的详细描述与分析，参阅CN201410227523.X，不再累赘。
单相变压器二次交流线圈L8的匝数是单相变压器一次交流线圈L7的2N倍，二次交流线圈L3的匝数是一次交流线圈L1的N倍，二次交流线圈L6的匝数是一次交流线圈L4的N倍，二次交流线圈L3、二次交流线圈L6、二次交流线圈L8正向串连，二次交流线圈L3、二次交流线圈L6、二次交流线圈L8剩余的两个端子分别连接端子II9与二次线圈端子II4，作为二次交流线圈单相输出电压，输出电压等于2NU1。
第二种单相多功能变压器作为并联交流饱和电抗器时，不论第二种单相多功能变压器一次交流线圈L1、一次交流线圈L4、一次交流线圈L7电抗值如何变化，第二种单相多功能变压器一次交流线圈L1与一次交流线圈L7电压之和不变，一次交流线圈L4与一次交流线圈L7电压之和不变，等于电力系统额定电压U1。第二种单相多功能变压器端子II9与二次线圈端子II4向负荷提供的额定电压为2NU1。改变匝数比N，则可改变第二种单相多功能变压器端子II9与二次线圈端子II4之间的额定电压。由于一次交流线圈L1与二次交流线圈L3是绕在同一铁芯柱上的一、二次线圈，一次交流线圈L4与二次交流线圈L6是绕在同一铁芯柱上的一、二次线圈，一次交流线圈L7与二次交流线圈L8是绕在同一铁芯柱上的一、二次线圈，绕在同一铁芯柱的一次交流线圈与二次交流线圈之间的漏抗比较小。第二种单相多功能变压器二次线圈的负荷变化时，第二种单相多功能变压器端子II9，与二次线圈端子II4之间的电压变化较小，即负荷大小变化时，负荷两端电压变化较小。
第二种单相多功能变压器具有变压器功能。
第二种单相多功能变压器的单相变压器铁芯10比铁芯5简单、体积小、重量轻。嵌套单相多功能变压器额定电压小于系统额定电压，嵌套单相多功能变压器额定电压小于系统额定电压越多，铁芯5所占比例越小，单相变压器铁芯10所占比例越大。第一种单相多功能变压器的铁芯完全是铁芯5的形式，所以，第二种单相多功能变压器比第一种单相多功能变压器体积小、重量轻。
第二种单相多功能变压器的饱和电抗器功能是由交流饱和电抗器原理实现的，交流饱和电抗器的优点，第二种单相多功能变压器也具备。
为了减小嵌套单相多功能变压器(交流饱和电抗器)电压与电流幅值波动，图3所示电路的一次线圈端子I1与一次线圈端子II2之间还并联电容C1。
嵌套单相多功能变压器的变化形式有许多，每一种变化形式都可对应一种形式的单相多功能变压器；第二种单相多功能变压器也有多种形式。
实施例4：
第二种单相多功能变压器工作原理可以推广到第二种三相多功能变压器。他包括：三相变压器，嵌套三相多功能变压器；三相变压器A、B、C相的一次线圈依次为L7A、L7B、L7C；A、B、C相的二次线圈依次为L8A、L8B、L8C。三相变压器A、B、C相一次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相一次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为A、B、C相电压输入端子；三相变压器A、B、C相二次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相二次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为三相多功能变压器二次侧A、B、C相电压输出端子。第二种三相多功能变压器典型电路如图5所示。
连续调节嵌套三相多功能变压器电抗值，三相变压器一次线圈两端电压随之连续变化，三相变压器铁芯饱和程度连续变化，实现三相多功能变压器三相电压输入端电抗值的连续改变；
利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
嵌套三相多功能变压器的描述与分析可参考实施例2。第二种三相多功能变压器工作原理分析可参考实施例3。不再累赘。
第二种三相多功能变压器二次侧电压输出端子可以三角形连接，提供三次、等高次谐波通路，以改善第二种三相多功能变压器电压、电流波形。
为了减小嵌套三相多功能变压器(交流饱和电抗器)电压与电流幅值波动，图4所示电路的端子1A与端子2N之间，端子1B与端子2N之间，端子1C与端子2N之间还分别并联电容C1A、C1B、C1C。
实施例4与实施例3共性的部分，不再累赘。
本发明的多功能变压器可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。
Claims (14)
1.一种多功能变压器，其特征是，它为单相多功能变压器，包括单相直流饱和电抗器铁芯；单相直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方的磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，其中两个铁芯柱上各自分别有至少一个二次交流线圈；各二次线圈匝数相等，铁芯柱间的各二次线圈正向串联；各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈单相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
2.如权利要求1所述的一种多功能变压器，其特征是，所述各一次交流线圈的同名端、各直流线圈的同名端连接作为一次线圈端子I；
各一次交流线圈的剩余端分别通过相应的可控电阻M1、M2连接一次线圈端子II，一个直流线圈的剩余端经过正向的晶闸管D1连接一次线圈端子II，另一个直流线圈的剩余端经过反向的晶闸管D2连接一次线圈端子II；
晶闸管D1和晶闸管D2的触发端子分别连接控制电路I，控制电路I控制晶闸管D1和晶闸管D2触发角的大小，实现连续调节晶闸管D1和晶闸管D2整流量的大小；实现一次交流线圈电抗值的连续调节，一次交流线圈电抗值在最大值与最小值之间调节、变化。
3.一种多功能变压器，其特征是，它为三相多功能变压器，包括三相直流饱和电抗器，三相直流饱和电抗器含有三相直流饱和电抗器铁芯，三相直流饱和电抗器铁芯至少有六根截面积相等的铁芯柱，A、B、C相各分配两根铁芯柱，六根铁芯柱两端由磁轭连接，任何两根铁芯柱相互之间都可通过两端的磁轭形成磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，六根截面积相等的铁芯柱上各自有至少一个二次交流线圈，各二次线圈匝数相等；A、B、C相两个二次线圈各自正向串联；A、B、C相各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈A、B、C相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
4.如权利要求1或3所述的一种多功能变压器，其特征是，所述控制电路与限流用继电保护装置连接；所述继电保护装置检测到电力系统发生短路后，通过控制电路对可控电阻和晶闸管的切合控制，使各一次交流线圈与各二次交流线圈之间的漏抗增大，从而减小外部短路电流值；实现限流器功能。
5.如权利要求1或2或3所述的一种多功能变压器，其特征是，所述可控电阻包括：电阻R1的两端作为可控电阻的两端，晶闸管D3、晶闸管D4反向并联后，与电阻R1并联；压敏电阻R2与电阻R1并联；晶闸管D3、晶闸管D4的触发端连接控制电路II，控制电路II有导线与外部连接，控制电路II接受外部控制。
6.如权利要求1或2或3所述的一种多功能变压器，其特征是，所述各铁芯柱上二次交流线圈与一次交流线圈之间的匝数比等于N，则多功能变压器二次线圈端子I与二次线圈端子II向负荷提供的额定电压为2NU1，其中，U1为多功能变压器的额定电压；改变各二次交流线圈与一次交流线圈之间的匝数比N，则可改变多功能变压器二次线圈端子I与二次线圈端子II之间的额定电压。
7.一种多功能变压器，其特征是，它为单相多功能变压器，包括单相变压器，嵌套单相多功能变压器；单相变压器一次线圈与嵌套单相多功能变压器一次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为单相电压输入端子；单相变压器二次线圈与嵌套单相多功能变压器二次线圈组正向串联，剩余的两个端子作为单相电压输出端子；
连续调节嵌套单相多功能变压器电抗值，单相变压器一次线圈两端电压随之连续变化，单相变压器铁芯饱和程度连续变化，实现单相电压输入端子电抗值的连续改变；
利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能；
所述嵌套单相多功能变压器包括单相直流饱和电抗器铁芯；单相直流饱和电抗器铁芯至少有两根截面积相等的铁芯柱，这两根铁芯柱各自至少有能形成一条不经过对方的磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，其中两个铁芯柱上各自分别有至少一个二次交流线圈；各二次线圈匝数相等，铁芯柱间的各二次线圈正向串联；各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈单相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
8.如权利要求7所述的一种多功能变压器，其特征是，所述嵌套单相多功能变压器一次侧两输入端之间并联电容C1。
9.如权利要求7所述的一种多功能变压器，其特征是，所述嵌套单相多功能变压器二次电压与一次电压的电压比N，变压器二次电压与一次电压的电压比等于N。
10.如权利要求7所述的一种多功能变压器，其特征是，所述多功能变压器的额定电压为U1；其中，所述嵌套单相多功能变压器的额定电压为U2；变压器一次线圈额定电压为(U1-U2)，U2小于U1。
11.一种多功能变压器，其特征是，它为三相多功能变压器，包括：三相变压器，嵌套三相多功能变压器；三相变压器A、B、C相一次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相一次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为三相多功能变压器A、B、C相电压输入端子；三相变压器A、B、C相二次线圈与嵌套三相多功能变压器A、B、C相二次线圈组依次正向串联，剩余的端子分别作为三相多功能变压器二次侧A、B、C相电压输出端子；连续调节嵌套三相多功能变压器电抗值，三相变压器一次线圈两端电压随之连续变化，三相变压器铁芯饱和程度连续变化，实现三相多功能变压器三相电压输入端子电抗值的连续改变；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能；
所述嵌套三相多功能变压器包括：三相直流饱和电抗器，三相直流饱和电抗器含有三相并联直流饱和电抗器铁芯，三相直流饱和电抗器铁芯至少有六根截面积相等的铁芯柱，A、B、C相各分配两根铁芯柱，六根铁芯柱两端由磁轭连接，任何两根铁芯柱相互之间都可通过两端的磁轭形成磁通闭环；在各铁芯柱上分别有各自的一次交流线圈和直流线圈，各一次交流线圈匝数相等，各直流线圈匝数相等；直流线圈流通直流电流，直流电流在铁芯上产生直流磁通；各一次交流线圈通过对应的可控电阻，各直流线圈通过相应的晶闸管分别与控制电路连接；所述控制电路控制可控电阻的大小以及晶闸管的导通量大小，连续调节直流电流的大小，可连续调节饱和电抗器铁芯的饱和程度，实现一次交流线圈电抗值的连续改变；实现饱和电抗器功能；
同时，六根截面积相等的铁芯柱上各自有至少一个二次交流线圈，各二次线圈匝数相等；A、B、C相两个二次线圈各自正向串联；A、B、C相各二次线圈的剩余端子则作为多功能变压器二次线圈A、B、C相电压输出端子；利用各二次交流线圈与一次交流线圈的匝数比，完成电压的变换，实现变压器功能。
12.如权利要求11所述的一种多功能变压器，其特征是，所述嵌套三相多功能变压器二次电压与一次电压的电压比N，变压器二次电压与一次电压的电压比等于N。
13.如权利要求11所述的一种多功能变压器，其特征是，所述多功能变压器的额定电压为U1；其中，嵌套三相多功能变压器额定电压为U2；变压器一次线圈额定电压为(U1-U2)，U2小于U1。
14.如权利要求11所述的一种多功能变压器，其特征是，所述嵌套三相多功能变压器A、B、C相一次侧两输入端之间分别并联电容C1A、C1B、C1C。
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