CN104603891A - 变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及变压器，所述变压器包含带有至少一个芯柱(10、30、64、78、80、102+104)的变压器芯(50、70)以及在类似空心圆柱体的绕组区域(62)中环绕相应芯柱(10、30、64、78、80、102+104)布置的主绕组和靠近芯布置且与所述主绕组(106a、b,112)电连接的附加绕组(108a、b,114)。芯柱(10、30、64、78、80、102+104)和/或变压器芯(50、70)的所构成的芯轭的横截面在横向于所述芯柱和/或芯轭的相应延伸所虚拟的横截面平面中具有至少两个通过开口分离的区域(12、14、32、34)并且相应附加绕组(108a、b,114)的至少一个线圈(18、20、38、40、84、86)被引导穿过所述开口。

Description

变压器
本发明涉及变压器，所述变压器包含带有至少一个芯柱的变压器芯以及在类似空心圆柱体的绕组区域中环绕相应芯柱布置的主绕组以及靠近芯布置且与所述主绕组电连接的附加绕组。
通常已知的是：在电能量分配网络中使用变压器，以便于互相耦合不同电压电平的电网部分。这种类型的变压器在靠近耗电器或靠近发电机的电压电平中经常实施为干式变压器并且在低压侧具有例如从1kV到6kV范围的额定电压以及在高压侧具有从10kV到30kV范围的额定电压，其中相应的额定功率例如位于从0.5MVA到10MVA的范围。而在风力机组领域中也应用这种类型的变压器，其中在此变压器的额定功率由所属风力机组的功率决定。基于低压范围内的高额定电流，例如所述额定电流能够为几百安，通常低压绕组由带状导体实施为缠绕状，其中带状导体的宽度大多对应于相应变压器绕组的整个轴向长度。按照变压器的实施方式和需求，低压侧的线圈数量例如在十个线圈范围内，（尤其是在针对风力机组的如下应用时，即发电机侧产生的电压相应低并且通过变压器设置到更高的工作水平）。
出于调节的目的，如下是已知的程序：变压器的高压侧绕组优选地配备多个抽头，所述抽头例如可借助于相应步进开关选择，使得变压器的转换比因而可在调节范围内变化。增加可调节性在针对风力机组的应用时是需要的，以便于保证变压器适配由不同风力情况引起的边缘条件。
变压器的有源部分具有闭合铁圈以及至少一个带有围绕相应芯柱的整数个闭合线圈的高压绕组和低压绕组。每个闭合导体环的感应电压取决于电网频率、通量密度以及芯横截面。
一方面缺点是：基于高电压需求制造高压侧布置的步进开关非常复杂并且能够在如下电压分步中最低限度地进行电压调节：所述电压分步对应于完整线圈的感应电压。因此在调节电压时，最小的调节步长限制为两个线圈之间的电压差。这尤其对之前提到的低压侧带状绕组而言是缺点，原因在于基于相对低的、例如在十的范围内的线圈总数，例如在+/-15%范围内以例如围绕额定转换1.5%的步长的精细调节是不可能的。
从该现有技术出发，本发明的任务是：提供变压器，该变压器在低压侧能够以更小的电压步长来调节电压，其中基于随后更小的电压需求更容易制造相应的步进开关。
该任务通过起初提到的类型的变压器来解决。该变压器特征在于，芯柱和/或变压器芯的所构成的芯轭的横截面在横向于所述芯柱和/或芯轭的相应延伸所虚拟的横截面平面中具有至少两个通过开口分离的区域并且相应附加绕组的至少一个线圈被引导穿过所述开口。
本发明的基本想法在于：出于调节目的提供的完整线圈的感应电压通过如下方法来减少：所述线圈不包围完整芯柱和/或变压器芯的完整芯轭的横截面而只包围该横截面的一部分。由此也只包围通过芯柱和/或通过芯轭的部分通量并且在这种线圈中感应的电压相应地降低。对此根据本发明规定：芯柱横截面和/或芯轭横截面在横向于所述芯柱和/或芯轭的相应延伸所虚拟的横截面平面中具有至少两个区域，所述区域通过开口彼此分离。延伸理解为在相应柱区段或轭区段的长度方向上。开口在横截面平面内以哪个角度走向原则上是不重要的，决定性的是制造技术上的边缘条件。所述开口使得附加绕组的一个或者还更多线圈能够被引导穿过，由此减少相应线圈的电压上升（Spannugshub）。由此以有利的方式实现附加绕组电压更精细的分级。
开口例如能够借助于穿孔实现，所述穿孔被引导穿过芯柱或芯轭。对于分层的变压器芯，同样能够通过在板状区域中相应的凹口完成例如针对圆形导体的通道状开口。根据本发明另一设计方案，开口实施为缝隙，所述缝隙沿着芯柱延伸。这种类型的缝隙能根据变压器芯类型特别简单地实现。
当然也可能的是：提供相应更多数量的缝隙以及还因而提供相应更多数量的横截面区域。该细分原则上是能够任意的，例如1/3或1/4,以便于满足对可调节性的需要。然而，通过围绕柱的部分设置更多的线圈，例如围绕1/4芯柱横截面设置3个线圈、围绕1/5芯柱横截面设置4个线圈或围绕1/10芯柱横截面设置9个线圈，也能够实现特定的电压分步。如果围绕部分芯柱横截面分开地设置绕组，那么能够通过选择（附加）线圈的极性和/或缠绕方向来使用该布线，以便于允许所述布线加法性地或者减法性地起作用。因此可能的是：减少电压可调节性所需要的（附加）线圈数量。
这应该根据4个（附加）线圈围绕1/5芯柱横截面的例子来解释。没有极性切换时得出可设定的线圈数量如下：
对于除此以外出现的调节范围提供：应用附加绕组的线圈抽头，所述抽头包围整个芯柱横截面。因此被引导穿过相应缝隙的线圈最终仅仅用于精细调节分步。
在两个（附加）线圈围绕1/5芯柱横截面的情况下考虑极性切换时，通过极性切换，产生下面的例子：
然而，也能同时提供如下（附加）线圈：所述线圈包围芯柱横截面的不同大小的部分，例如1/2和1/4。例如，通过将芯柱横截面面积细分成三个区域，所述区域的量占全部横截面面积的50%、25%和25%，能够以整个线圈电压的+/-25%的步长调节电压。以此达到一个线圈全部电压的+/-25%、+/-50%和+/-75%步长。
根据本发明的变压器的一特别优选的设计方案，至少附加绕组由扁平带状导体构成，而理想地主绕组也由扁平带状导体构成。扁平带状导体基于其高填充因数以如下特别的方式适合于低压侧的变压器绕组，所述方式为：在例如从几百伏到超过1kV范围内的相对低的额定电压时预期一定能够超过1000A的相应高电流。此外，扁平带状导体也能够以制造技术特别容易地被引导穿过根据本发明的缝隙，所述缝隙将两个芯柱区域互相分离。典型情况下，这种类型的扁平带状导体具有的宽度对应于相应线圈的全部的轴高度，因此导体层分别包含恰恰一个线圈。
为了更可靠地电隔离被引导穿过缝隙的绕组导体，根据本发明规定：所述绕组导体至少在缝隙区域被由电绝缘材料构成的附加层围绕。该缝隙由典型接地的变压器芯构成并且因此在绝缘技术上特别重要，尤其是因为：根据附加绕组的当前联接-也能够在被引导穿过缝隙的一个或多个线圈中施加全额定电压。可选的，然而也可以使缝隙壁由绝缘材料的附加层围绕。
根据本发明的变压器的一特别优选的设计方案，附加绕组配备多个接入不同线圈的抽头。理想地，附加绕组具有精细分级区域，所述精细分级区域的特征在于附加绕组的被引导穿过相应芯柱缝隙的线圈的抽头。它们分别具有的感应电压低于完全包围相应芯柱的线圈的感应电压。此外，能够提供粗略分级区域，所述粗略分级区域的特征在于分别完全包围芯柱的线圈的抽头。通过粗略分级区域和精细分级区域相应的串联，能达到在广泛范围上的精细分级。
根据变压器的另一根据本发明的变体提供开关部件，以便于选择性地将主绕组和附加绕组抽头之一连接，使得电连接的附加绕组和主绕组的有源线圈数量能够适配于此。必要时针对附加绕组的粗略分级区域和精细分级区域提供分开的开关部件。
根据变压器的另一设计方案，开关部件包含步进开关和/或功率电子元件。步进开关针对可选地选择和联接变压器绕组的抽头证明为标准元件。需要时也提供功率电子元件、例如晶闸管或IGBT。
原则上，本发明能够适用于每种任意的变压器芯类型，尤其是也适用于三柱芯、五柱芯或还有带有三角状外形的变压器。例如这些芯能够分层或者也能够缠绕。而接下来要详细地呈现一些特别的设计方案。
根据本发明的变压器的另一变体，变压器芯由类似矩形的外部芯垫圈和至少两个由外部芯垫圈包围的类似矩形的内部芯垫圈构成，其中在柱区域中在芯垫圈的互相毗邻的区段之间构成相应的缝隙。原则上，除了相应的缝隙之外，这种类型变压器芯的基础构造对应于伊文思（Evans）变压器芯的构造。优选地，这些芯垫圈由分别缠绕的带状材料制造而成。除了标准变压器片之外，例如也能够为此使用非定形的带状材料。然而，扁平芯材料的分层当然也是可能的。
根据本发明的变压器的另一变体的特征在于，变压器芯由三个以三角形布置的类似矩形的芯垫圈构成，其中在柱区域中在芯垫圈的互相毗邻的区段之间构成相应缝隙。在此也可能的是，芯垫圈要么由类似带状的材料缠绕而成，要么然而由类似片状的材料分层而成。
根据本发明的变压器的另一设计方案，变压器芯是环状芯，通过所述环状芯构成至少一个芯柱。于是，整个环状芯被视为弯曲的变压器芯柱，其中提供至少两个环状芯模块来形成根据本发明沿着环状芯走向的缝隙。
根据变压器的另一根据本发明的设计方案，围绕主绕组径向地布置在电流上与该主绕组分离的另一绕组。在此主绕组连接在低压侧，而该另一绕组连接在高压侧。通过相应有源高压侧线圈和有源低压侧线圈彼此之间的比例来确定变压器的转换比。根据另一设计方案，三相地实施该变压器。这尤其当应用在能量分配网络中时是有意义的。
根据本发明的另一设计方案：围绕变压器芯柱布置的主绕组与围绕同一个芯柱布置的附加绕组电串联。因此，附加绕组中感应电压的相位对应于主绕组中感应电压的相位，和/或其在相应的带有极性切换的连接时偏移180°并且相位相反。因此实现电压的同相电压调节。
根据另一设计方案，围绕变压器芯柱布置的主绕组与围绕相邻变压器芯柱布置的附加绕组电串联。因此，在三相变压器中产生主绕组中感应电压与附加绕组中感应电压之间120°或者240°的相移。因而，对于带有极性切换的相应联接，能够实现以60°角的倾斜调节（Schrägregelung）。
其他有利的设计可能性从其他从属权利要求中推断。
根据附图中呈现的实施例，要更详细描述本发明、其他实施方式和其他优点。
图1示出第一芯柱的示范性横截面，
图2示出第二芯柱的示范性横截面，
图3示出示范性的第一变压器芯，
图4示出示范性的第二变压器芯，
图5示出示范性的变压器，以及
图6示出主绕组和附加绕组的示范性串联。
图1示出第一芯柱10的示范性横截面，所述芯柱由分别带有相同横截面区域12、14的两个相同类型的芯柱模块构成，其中在所述芯柱模块之间出现缝隙16，所述缝隙将横截面区域12和14互相分离。围绕占芯柱10总横截面面积50%的第一横截面区域12布置带状导体的两个示范性线圈18、20，所述线圈被引导穿过缝隙16并且是示范性附加绕组的一部分。因为这两个线圈中的每个线圈只包围全部芯柱横截面的50%，因而在运行中相应线圈中的感应电压只占包围全部芯柱横截面的导体的电压的50%。通过该方式实现抽头的更精细电压分级，所述抽头以参考标记22和24表示。提供这些抽头以便与未示出的步进开关连接，所述步进开关在其侧与未示出的主绕组连接。
图2示出第二芯柱30的示范性横截面，所述芯柱由两个芯柱模块构成，它们的横截面区域32和34以大约1：3的比例分割。约占总芯柱横截面面积的25%的第一横截面区域32由附加绕组的、被引导穿过缝隙36的第一线圈38包围，其中该附加绕组的第二线圈40包围整个芯柱横截面。因而，在运行中第一线圈38中的感应电压的大小占在运行中第二线圈40中的感应电压的25%。通过该方式实现抽头的更精细电压分级，所述抽头以参考标记42和44表示。提供这些抽头用于与未示出的步进开关连接，所述步进开关在其侧与未示出的主绕组连接。
图3以截图示出示范性的第一变压器芯50。例如宽度为2m且高度为1.5m的类似矩形的外部芯垫圈52包围两个同样类似矩形的内部芯垫圈54、56，因此构成带有三个芯柱64的变压器芯，其中各芯柱64在其侧由相应芯垫圈的两个互相毗邻的柱区段构成。在这些柱区段之间出现相应缝隙58，提供所述缝隙用于径向地在内部围绕相应芯柱布置且未示出的附加绕组的一个或也有多个绕组导体被引导穿过所述缝隙。这种类型的缝隙58通过如下方式能够非常容易地实现：内部芯垫圈的外部宽度的和小于包围内部芯垫圈的外部芯垫圈的内部宽度。例如芯垫圈能够由缠绕的带状材料制造而成，或者也能够由分层的片制造而成。
图4以截图俯视图示出示范性的第二变压器芯70。三个类似矩形的芯垫圈72、74、76相邻地布置为等边三角形，其中相互毗邻的柱区段构成其间带有相应缝隙82的相应芯柱78、80。附加绕组的示范性第一线圈84被引导围绕芯柱78、80的两个柱区段之一并且穿过位于所述柱区段之间的缝隙，所述示范性第一线圈84包围相应芯柱的横截面面积的50%并且在所述示范性第一线圈84中当运行时感应相应减小的电压。附加绕组的第二示范性线圈86包围相同芯柱的整个横截面面积。例如附加绕组可借助端子88、90与未示出的主绕组的未示出的步进开关连接。
图5示出示范性变压器100，所述变压器实施为环状芯变压器。环状变压器芯具有类似环状的径向外部第一部分102和类似环状的径向内部部分104，其中在外部第一部分102和径向内部部分104之间形成缝隙。当然也可能的是，以不是精确环形而是例如多边形来设计变压器芯。沿着变压器芯的类似环状的延伸并且包围所述变压器芯提供两个示范性的主绕组106a、106b以及两个示范性附加绕组108a、108b，它们（未呈现）联接成低压侧的绕组。附加绕组108a、108b只包围芯横截面的一部分并且在运行中线圈各自感应对应较低的电压。结合相应的抽头以及例如结合步进开关产生低压侧绕组的精细分步调节可能性。同样布置在环状芯上的是两个另外的在电流上分离的绕组107a、107b，所述绕组联接成高压绕组。
图6示出主绕组112和附加绕组114示范性串联成带有相应端子120、122的低压侧绕组。附加绕组具有多个抽头116，其中在相邻抽头之间分别布置根据本发明被引导穿过所属变压器芯（未示出）的缝隙的线圈，所述线圈例如分别包围相应芯柱横截面的1/6。提供步进开关118用于形成与相应选出的抽头116的电接触以及形成主绕组112和附加绕组114的相应部分的串联。
附图标记
10　第一芯柱的示范性横截面
12　第一芯柱的第一横截面区域
14　第一芯柱的第二横截面区域
16　第一缝隙
18　围绕第一芯柱的附加绕组的第一线圈
20　围绕第一芯柱的附加绕组的第二线圈
22　围绕第一芯柱的附加绕组的第一抽头
24　围绕第一芯柱的附加绕组的第二抽头
30　第二芯柱的示范性横截面
32　第二芯柱横截面的第一区域
34　第二芯柱横截面的第二区域
36　第二缝隙
38　围绕第二芯柱的附加绕组的第一线圈
40　围绕第二芯柱的附加绕组的第二线圈
42　围绕第二芯柱的附加绕组的第一抽头
44　围绕第二芯柱的附加绕组的第二抽头
50　示范性的第一变压器芯
52　外部芯垫圈
54　第一内部芯垫圈
56　第二内部芯垫圈
58　第三缝隙
60　第四缝隙
62　类似空心圆柱体的绕组区域
64　第三芯柱
70　示范性的第二变压器芯
72　第一芯垫圈
74　第二芯垫圈
76　第三芯垫圈
78　第四芯垫圈
80　第五芯垫圈
82　第五缝隙
84　附加绕组的第一线圈
86　附加绕组的第二线圈
88　附加绕组的第一端子
90　附加绕组的第二端子
100 示范性变压器
102 变压器芯的第一部分
104 变压器芯的第二部分
106a、b 主绕组
107a、b 在电流上分离的另外绕组
108a、b 附加绕组
110 主绕组和附加绕组的示范性串联
112 主绕组
114 附加绕组
116 抽头
118 步进开关
120 第一端子
122 第二端子。

Claims (14)

1. 变压器，包含带有至少一个芯柱(10、30、64、78、80、102+104)的变压器芯(50、70)以及在类似空心圆柱体的绕组区域(62)中环绕相应芯柱(10、30、64、78、80、102+104)布置的主绕组(106a、b,112)和靠近芯布置且与所述主绕组(106a、b,112)电连接的附加绕组(108a、b,114)，
其特征在于，
所述芯柱(10、30、64、78、80、102+104)和/或所述变压器芯(50、70)的所构成的芯轭的横截面在横向于所述芯柱和/或芯轭的相应延伸所虚拟的横截面平面中具有至少两个通过开口分离的区域(12、14、32、34)并且相应附加绕组(108a、b,114)的至少一个线圈(18、20、38、40、84、86)被引导穿过所述开口。
2. 根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述开口是沿着所述芯柱(10、30、64、78、80、102+104)延伸的缝隙。
3. 根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，至少所述附加绕组(108a、b,114)由扁平带状导体构成。
4. 根据权利要求3所述的变压器，其特征在于，所述扁平带状导体至少在所述开口(16、36、58、60、82)的区域中被由电绝缘材料构成的附加层围绕。
5. 根据上述权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，所述附加绕组(108a、b,114)配备多个接入所述附加绕组(108a、b,114)的不同线圈(18、20、38、40、84、86)的抽头(22、24、42、44、116)。
6. 根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，提供开关部件，以便于选择性地将主绕组和所述抽头(22、24、42、44、116)之一连接，使得电连接的附加绕组(108a、b,114)和主绕组(106a、b,112)的有源线圈数量能够适配于此。
7. 根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，所述开关部件包含步进开关(118)和/或功率电子元件。
8. 根据上述权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，所述变压器芯(50、70)由类似矩形的外部芯垫圈(52)和至少两个由所述外部芯垫圈(52)包围的、类似矩形的内部芯垫圈(54、56)构成，其中在所述芯垫圈(52、54、56)的互相毗邻的区段之间的柱区域中构成相应的缝隙(16、36、58、60、82)。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的变压器，其特征在于，所述变压器芯(50、70)由三个类似矩形以三角形布置的芯垫圈(72、74、76)构成，其中在所述芯垫圈(72、74、76)的互相毗邻的区段之间的柱区域中构成相应的缝隙(16、36、58、60、82)。
10. 根据权利要求1至7中任一项所述的变压器，其特征在于，所述变压器芯(50、70)是环状芯，由所述环状芯构成所述至少一个芯柱(10、30、64、78、80、102+104)。
11. 根据上述权利要求中任一项所述的变压器，其特征在于，围绕所述主绕组(106a、b,112)径向地布置在电流上与所述主绕组分离的另外绕组(107a、b)。
12. 根据权利要求11所述的变压器，其特征在于，三相地实施所述变压器。
13. 根据权利要求12所述的变压器，其特征在于，围绕变压器芯柱(10、30、64、78、80)布置的主绕组(106a、b,112)与围绕同一芯柱(10、30、64、78、80、102+104)布置的附加绕组(108a、b,114)电串联。
14. 根据权利要求12所述的变压器，其特征在于，围绕变压器芯柱(10、30、64、78、80、102+104)布置的主绕组(106、112)与围绕相邻变压器芯柱(10、30、64、78、80、102+104)布置的附加绕组(106a、b,114)电串联。
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