CN104426382B - 变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及变压器。一种分布常数型变压器，其被设置在具有频率f的AC电源和具有电阻值R的负载之间，并且包括：第一转换器，其连接到AC电源，并且具有长度λ/4；以及，第二转换器，其被设置在第一转换器的终端和负载之间，并且具有长度λ/4，其中，在频率f处的波长是λ。这样的变压器具有小尺寸和轻重量，并且不需要在传统变压器中使用的线圈和铁芯等。

Description

变压器

技术领域

本发明涉及变压器。

背景技术

在商用AC输电和配电系统中，使用变压器。就在消费者的房子附近，使用柱式变压器，其将例如6600V(50Hz或60Hz)变换为200V(参见非专利文献1)。这样的柱式变压器具有围绕铁芯缠绕的作为导线的厚线圈，并且因此具有相当大的重量。例如，具有直径40cm和高度80cm的柱式变压器具有大约200kg的重量，包括绝缘油和外壳。

另一方面，为了实现作为下一代电力系统的智能电网，正在进行SST(固态变压器)的研究。对于SST，使用高频变压器(例如，参见非专利文献2)。

引用列表

[非专利文献]

非专利文献1：Chubu Electric Power Co.,Inc.的主页,[Pole Transformer(柱式变压器)],[在线],[2013年7月19日搜索],因特网

<URL:http://www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html>

非专利文献2：Falcones,S.:等人.,Power and Energy Society GeneralMeeting,2010IEEE,pp.1-8,Minneapolis,2010年7月

发明内容

[技术问题]

传统的柱式变压器沉重，并且因此不容易处理。另外，在柱上需要大得足以包含变压器的外部尺寸的附加空间。

另一方面，高频变压器不能避免寄生电容的影响，并且在设计上具有困难。

考虑到这样的传统问题，本发明的目的是提供一种具有小尺寸和轻重量的创新的下一代变压器，其不需要在传统变压器中使用的、用于磁耦合、电磁感应或互感的线圈和铁芯等。

[对于问题的解决方案]

本发明是在具有频率f的AC电源和具有电阻值R的负载之间设置的分布常数型变压器，该变压器包括：第一转换器，该第一转换器连接到AC电源，并且具有长度λ/4；以及，第二转换器，该第二转换器被设置在第一转换器的终端和负载之间，并且具有长度λ/4，其中，在频率f处的波长是λ。

[本发明的有益效果]

使用本发明的变压器作为电力变压器使得不必使用包括线圈和铁芯等的传统变压器。因此，变得有可能实现变压器的显著的尺寸减小和重量减小，并且由此实现成本减小。

附图说明

图1是示出使用分布常数电路的变压器的连接图。

图2是示出具有另一种配置的变压器的电路图。

图3是电路图，其中，(a)示出当在图2中的四个开关中的、在上侧上的两个开关接通并且在下侧上的两个开关断开时的大体连接状态，以及，(b)以阶梯状形状示出与(a)中相同的电路图。

图4是电路图，其中，(a)示出当在图2中的四个开关中的、在下侧上的两个开关接通并且在上侧上的两个开关断开时的大体连接状态，以及，(b)以阶梯状形状示出与(a)中相同的电路图。

图5是分别示出向图2中的变压器的输入电压和输入电流的波形图。

图6是分别示出图2中的变压器中的变换的中间级处的电压和电流的波形图。

图7是分别示出从在图2中的变压器的输出电压和输出电流的波形图。

图8是示出了在图1中所示的变压器和在图2中所示的变压器的组合的电路图。

具体实施方式

[实施例的总结]

本发明的实施例的总结至少包括下面的内容。

(1)分布常数型变压器被设置在具有频率f的AC电源和具有电阻值R的负载之间，并且包括：第一转换器，其连接到AC电源，并且具有长度λ/4；以及，第二转换器，其被设置在第一转换器的终端和负载之间，并且具有长度λ/4，其中，在频率f处的波长是λ。

在上面的变压器中，在第一转换器的阻抗是Z_c1并且第二转换器的阻抗是Z_c2的情况下，输入阻抗Z_in被示出如下。

Z_in＝(Z_c1 ²/Z_c2 ²)·R＝k·R

在此，k是常数。输入阻抗Z_in与负载的电阻值R成比例。因此，与负载的电阻值无关，可以获得与输入电压成比例的输出电压。即，可以获得以恒定的电压变换比率(1/k)^1/2将输入电压变换为输出电压的变压器。通过连接分布常数电路的两级来形成该变压器。因此，可以获得不需要在传统变压器中使用的绕组和铁芯等的创新配置，由此，可以实现变压器的重量减小，并且结果，可以实现成本减小。而且，也解决了在高频变压器中产生的寄生电容和出现磁场泄漏的问题，并且因此，可以实现具有低损耗的变压器。

(2)变压器可以包括被配置来执行切换的电路和在该电路中插入的(1)的变压器。

在该情况下，有可能使用其中以高频来执行切换的环境来利用分布常数型变压器。

(3)在(1)的变压器中，第一转换器和第二转换器可以每一个由电缆形成。

在该情况下，有可能使得该电缆的特征阻抗是第一转换器和第二转换器的各自的阻抗。

(4)在(3)的变压器中，可以将该电缆与配电线路的电力电缆一体化。

在该情况下，可以将电力电缆用作变压器。

(5)在(3)或(4)的变压器中，期望AC电源的频率至少是1MHz。

在该情况下，例如，如果频率是10MHz，则λ/4是几米，并且因此，实际上容易通过电缆来实现变压器。另外，如果频率是1MHz，则λ/4是几十米，并且该变压器可以通过与输电线的电力电缆一体化地来实现。

[实施例的细节]

<使用分布常数电路的变压器>

接下来，将描述根据本发明的一个实施例的使用分布常数电路的变压器。

<<基本配置>>

图1是示出使用分布常数电路的变压器100的连接图。在图1中，变压器100由第一转换器101和连接到第一转换器101的终端的第二转换器102构成。作为第一转换器101和第二转换器102，例如，可以使用护套单芯电缆(CV)。在前级的第一转换器101相对于来自电源的输入频率f具有λ/4的长度(λ是波长)。而且，连接到第一转换器101的终端的、在后级的第二转换器102相对于来自电源的输入频率f具有λ/4的长度。

在此，在第一转换器101和第二转换器102的特征阻抗分别是Z_c1和Z_c2，从第一转换器101的输入端看到的输入阻抗是Z_in，并且，从第二转换器102的输入端看到的输入阻抗是Z_in’的情况下，获得下面的内容。

Z_in＝Z_c1 ²/Z_in’,Z_in’＝Z_c2 ²/R

因此，Z_in被示出如下。

Z_in＝Z_c1 ²/(Z_c2 ²/R)

＝(Z_c1 ²/Z_c2 ²)R

因为，(Z_c1 ²/Z_c2 ²)是常数，所以这被定义为常数k。

因此，获得Z_in＝k·R。

另外，在其中关于整个变压器100，输入电压是V_in，输入功率是P_in，输出功率是P_out，并且输出电压是V_out的情况下，P_in和P_out被示出为P_in＝V_in ²/Z_in，P_out＝V_out ²/R。在此，因为满足P_in＝P_out，所以获得下面的关系。

V_in ²/Z_in＝V_out ²/R

这被变形为

(V_out ²/V_in ²)＝R/Z_in＝k

因此，获得(V_out/V_in)＝k^1/2。

因此，获得恒定的电压变换比率k^1/2。

因此，输入阻抗Z_in与负载的电阻值R成比例，并且，电压变换比率是恒定的，而与负载变化无关。换句话说，与负载的电阻值无关，可以获得与输入电压成比例的输出电压。即，可以获得使用恒定的电压变换比率(1/k)^1/2＝Z_c2/Z_c1来将输入电压变换为输出电压的变压器100。另外，可以通过Z_c2/Z_c1的值的选择来自由地设计电压变换比率。

通过连接分布常数电路的两级来形成该变压器。因此，可以获得不需要在传统变压器中使用的绕组和铁芯等的创新配置，由此，可以实现变压器的重量减小，并且结果，可以实现成本降低。而且，也解决了在高频变压器中产生的寄生电容和出现磁场泄漏的问题，并且因此，可以实现具有低损耗的变压器。

理论上，甚至可以通过使用在商用频率水平下的低频来实现上面的变压器100，但是实际上，λ/4变得很长，并且因此，这样的频率不适合。然而，在1MHz的情况下，λ/4的值是几十米，并且因此，上面的变压器100可以通过与输电线的电力电缆一体化地来实现。而且，在10MHz的情况下，λ/4的值是几米，并且因此，通过电缆的实现实际上是容易的。

可以与具有另一种配置的变压器组合地使用如上所述的使用分布常数电路的变压器100。下面是具有另一种配置的这样的变压器的示例。

<使用通过电抗元件的开关的变压器>

图2是示出这样的变压器1的示例的电路图。在图2中，在AC电源2和负载R之间设置了变压器1。变压器1包括一对电容器C1和C2、一对电感器L1和L2、四个开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2以及执行开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2的通/断控制的开关控制部3。开关控制部3的开关频率例如是大约1MHz。开关频率优选地等于或高于1MHz，但是可以低于1MHz。

开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2和开关控制部3形成开关装置4，开关装置4切换变压器1的电路连接的状态。开关S_r1和S_r2彼此同步地操作，并且，开关S_b1和S_b2彼此同步地操作。该对开关S_r1和S_r2和该对开关S_b1和S_b2操作使得彼此排除地交替地被接通。开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2是由例如SiC元件或GaN元件形成的半导体开关元件。SiC元件或GaN元件允许比例如Si元件更快的开关。另外，可以获得足够的耐压(其可以甚至是例如每一个元件6kV)而不需要连接多级这样的元件。

在图2中，该对电容器C1和C2经由连接点P1彼此串联。AC电源2连接在该串联单元的两端之间。输入电压V_in被施加到该对电容器C1和C2的串联单元，使得输入电流I_in流动。

该对电感器L1和L2经由连接点P2彼此串联。在该串联单元的两端之间，经由电容器C1和C2来施加输入电压V_m，使得输入电流I_m流动。当开关S_r1和S_b2之一接通时，电流在负载R中流动。在此，向负载R施加的电压是V_out，并且从变压器1向负载R流动的输出电流是I_out。

在图3中，(a)是示出当在图2中的四个开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2中的、在上侧上的两个开关S_r1和S_r2接通并且在下侧上的两个开关S_b1和S_b2断开时的大体连接状态的电路图。在该图中，未示出在图2中的开关装置4。在图3中，(b)是以阶梯状形状示出与(a)中相同的电路图的电路图。

另一方面，在图4中，(a)是示出当在图2中的四个开关S_r1、S_r2、S_b1和S_b2中的、在下侧上的两个开关S_b1和S_b2接通时并且在上侧上的两个开关S_r1和S_r2断开时的大体连接状态的电路图。在图4中，(b)是以阶梯状形状示出与(a)中相同的电路图的电路图。

虽然交替地重复在图3和图4中的状态，但是经由电容器C1和C2的串联单元的连接点P1获得的电压变为经由电感器L1和L2的串联单元的连接点P2获得的电压。即，从在前级处的电容器侧向在后级的电感器侧执行变换。在此，估计输入电压变为1/4以被输出。这已经被发明人通过实验确认。

图5是波形图，上面的图示出向变压器1的输入电压，并且下面的图示出向变压器1的输入电流。

图6是分别示出在变换的中间级处的电压V_m和电流I_m的波形图。每一个波形实际上由基于开关的脉冲群形成，并且整体被如图6中所示的波形表示。

图7是波形图，上面的图示出来自变压器1的输出电压，并且下面的图示出来自变压器1的输出电流。从在图5和图7之间的比较显然的是，电压被变换为1/4，并且，随此，电流变为四倍。

<组合示例>

图8是示出使用分布常数电路的变压器100和在图2中所示的变压器1的组合的电路图。在图8中，在图2中所示的变压器1中的电容器级和电感器级之间插入变压器100。通过因此组合两种变压器1和100的变换功能，变得有可能在宽范围中设计电压变换比率。

在该情况下，变压器1是如上所述例如以1MHz切换的电路。通过在这样的电路中插入变压器100，变得有可能使用其中以例如1MHz的高频来执行切换的环境，来利用分布常数型变压器100。

另外，即使将AC电源2替换为DC电源，也向变压器100输入基于在变压器1中的前级处的切换的切换波形，并且因此，可以使用变压器100。

注意，在此公开的实施例在各个方面仅是说明性的，并且不应当被看作限制性的。本发明的范围被权利要求的范围限定，并且意欲包括与权利要求的范围和在该范围内的所有修改等同的含义。

附图标记列表

1 变压器

2 AC电源

3 开关控制部

4 开关装置

100 变压器

101 第一转换器

102 第二转换器

C1、C2 电容器

L1、L2 电感器

S_b1、S_b2 开关

S_r1、S_r2 开关

P1、P2 连接点

R 负载

Claims (5)

1.一种变压器，所述变压器是设置于频率f的交流电源和电阻值R的负载之间的分布常数型变压器，所述变压器包括：

第1转换器，所述第1转换器与所述交流电源相连接并且形成第一分布常数型电路，所述第一分布常数型电路具有从其输入端到其输出端为λ/4的长度以及特征阻抗Z_c1，λ是在频率f下的波长；以及

第2转换器，所述第2转换器设置于所述第1转换器的所述输出端与所述负载之间，并且使所述第2转换器形成第二分布常数型电路，所述第二分布常数型电路具有从其输入端到其输出端为λ/4的长度以及特征阻抗Z_c2，

其中，

在从所述第1转换器的所述输入端看到的输入阻抗Z_in被通过以下关系式来定义：

Z_in＝(Z_c1 ²/Z_c2 ²)·R。

2.根据权利要求1所述的变压器，其中，

所述第1转换器及所述第2转换器均由电缆构成。

3.根据权利要求2所述的变压器，其中，

所述电缆与配电线路的电力电缆一体化地形成。

4.根据权利要求2或3所述的变压器，其中，

所述交流电源的频率至少为1MHz。

5.一种变压器，其包含：

用于进行切换的电路；以及

插入在所述电路中的根据权利要求1所述的变压器。