CN105609276A - 船舶用三相变两相平衡变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶用三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧绕组采用三角形连接，由三相绕组AX、BY、CZ组成，绕组匝数为W₁；二次侧绕组分为两部分，第一部分是匝数均为W₂的A相和C相绕组，A相和C相绕组为串联连接，第二部分是B相一个匝数为W₃的绕组，二次侧绕组的匝数关系为本发明达到了绕组数量少，变压器结构简单，材料利用率较高的技术进步性，且不需要进行复杂的阻抗匹配，生产制造容易。

Description

船舶用三相变两相平衡变压器

技术领域

本发明涉及电力变压器技术领域，具体地涉及一种应用于船舶等三相三线电力系统的三相变两相平衡变压器。

背景技术

单相负载是一种特殊的三相不对称负载。当舰船电力系统带单相负载运行时，电网中电流的正序分量、负序分量和零序分量相等，这是一种及不平衡状态。尤其是单相负载较大时，电力系统的不平衡度可能超标。

目前舰船三相电力系统带单相负载运行，采用基于平均分配负荷法的供电方式，单相变压器从电网获得电能向单相负载供电。将所有的单相负载进行功率计算，尽可能的把所有的单相负载按功率平均分配到A、B、C三相，从而减小系统的不平衡度。但该方法存在以下问题：

(1)当所有的单相负载同时运行时，电力系统基本能够保持平衡，达到了国军标规定的要求。但是在实际运行时，这种方法存在很大的局限性，因为在不同的时段，单相负载运行状态是随机的，实际上并不能保证A、B、C三相的瞬态功率相等。

(2)不能抑制电网局部区域的三相不平衡。单相变压器带单相负载运行，将造成单相变压器周围的局部电力系统的三相不平衡，对邻近用电设备造成不良影响，相当于底层“污染”。

(3)负荷平均分配法给舰船单相负载的布置和接线带来不便。在舰船设计之初，单相负载要按照设计要求接入到相应的单相变压器，当舰船新增或者减少单相负载时，单相负载必将造成不平衡，必须要重新接线来达到新的平衡。

发明内容

针对现有技术无法解决舰船电力系统中单相负载供电引起的三相不平衡问题，提供一种适用于三相三线舰船电力系统的综合性能优良的平衡变压器，达到了绕组数量少，变压器结构简单，材料利用率较高的技术进步性，且不需要进行复杂的阻抗匹配，生产制造容易。

本发明提供的船舶用三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于：铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧绕组采用三角形连接，由三相绕组AX、BY、CZ组成，绕组匝数为W₁；二次侧绕组分为两部分，第一部分是匝数均为W₂的A相和C相绕组，A相和C相绕组为串联连接，第二部分是B相一个匝数为W₃的绕组，二次侧绕组的匝数关系为

进一步地，一次侧三相电流与二次侧两相负载电流的关系如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K_3}\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{\sqrt{3}}& 0\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& -1\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，W为基准匝数W＝W₁，

调整式(1)中参数，使二次侧两相负载电流大小相等，相位相差90°，达到二次侧两相负载电流对称，同时一次侧三相电流对称，无零序分量，无负序分量。

进一步地，调整绕组之间轴向或径向距离，使各相绕组之间的短路阻抗满足下列关系

Z′_KA12＝Z′_KC12(2)

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组与A相二次侧绕组之间的短路阻抗；Z'_KC12为C相一次侧绕组与C相二次侧绕组之间的短路阻抗；二次侧带两相负载时，无论负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；二次侧两相负载对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；二次侧两相出线端短路时，从一次侧各相看去的全短路阻抗相等；两相系统实现完全解耦，即一相电流或负荷的变化，不会影响另一相电压的变化。

再进一步地，所述一次侧三相与二次侧两相负载的空载电压大小相等，相位互差90°。

本发明的船舶用三相变两相平衡变压器的工作原理如下：

为了达到抑制单相负载引起的三相不平衡现象，本发明创造性的采用了三相-两相平衡变压器接线方式，为了减小绝缘成本，原边采用星形连接，将中性点引出接地，副边采用了闭环绕组回路来容纳三次谐波环流，副边绕组数量多，通过调整各对绕组之间的短路阻抗值，使之满足平衡条件，则不管负载电流如何变化，总能保证一次侧电流中无零序分量，即保持电流平衡状态。由于需要考察和确定的量为短路阻抗，具有确定的物理意义，这给设计和制造带来了极大方便。

本发明的船舶用三相变两相平衡变压器采用上述技术方案，具有如下优点：

本发明采用三相柱式结构时，原边仅布置有3个绕组，副边仅布置有3个绕组，且不必对绕组作特殊布置，不需要拆分绕组，不需要进行绕组间的阻抗匹配设计和计算。

本发明综合性能优良、结构简单，材料利用率较高，设计和制造难度下降。

本发明综合性能优良的平衡变压器，其绕组数量少，变压器结构简单，材料利用率较高，且不需要进行复杂的阻抗匹配，生产制造容易，特别适合于船舶等三相三线制电力系统，给单相负载供电。

附图说明

图1为本发明的绕组接线图。

图2为本发明的二次绕组电压向量图。

图3为本发明采用三相柱式铁心结构实施例示意图。

图4为本发明采用三相壳式铁心结构实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限制，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的船舶用三相变两相平衡变压器，船舶用三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于：铁心为三相柱式或三相壳式；一次侧绕组采用三角形连接，由三相绕组AX、BY、CZ组成，绕组匝数为W₁；二次侧绕组分为两部分，第一部分是匝数均为W₂的A相和C相绕组，A相和C相绕组为串联连接，第二部分是B相一个匝数为W₃的绕组，二次侧绕组的匝数关系为

一次侧三相电流与二次侧两相负载电流的关系如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K_3}\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{\sqrt{3}}& 0\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& -1\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，W为基准匝数W＝W₁，

调整式(1)中参数，使二次侧两相负载电流大小相等，相位相差90°，达到二次侧两相负载电流对称，同时一次侧三相电流对称，无零序分量，无负序分量。

进一步地，调整绕组之间轴向或径向距离，使各相绕组之间的短路阻抗满足下列关系

Z′_KA12＝Z′_KC12(2)

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组与A相二次侧绕组之间的短路阻抗；Z'_KC12为C相一次侧绕组与C相二次侧绕组之间的短路阻抗；二次侧带两相负载时，无论负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；二次侧两相负载对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；二次侧两相出线端短路时，从一次侧各相看去的全短路阻抗相等；两相系统实现完全解耦，即一相电流或负荷的变化，不会影响另一相电压的变化。

一次侧三相与二次侧两相负载的空载电压大小相等，相位互差90°。

一次侧绕组采用三角形连接，由三相绕组AX、BY、CZ组成，绕组匝数为W₁。二次侧绕组分为两部分，第一部分是A相和C相匝数为W₂的绕组串联，第二部分是B相一个匝数为W₃的绕组。二次侧绕组的匝数关系为

本发明既可实现三相变两相的功能；

若分别从A、B和C三点引入三相对称电压，从a、c和b、y引出两相对称电压，则可实现三相变两相的功能；

图2中，各边长既代表绕组的匝数，也代表绕组空载电压的大小。

在三角形axc中，W_ax＝W_cx＝W₂，∠axc＝120°，那么，

另外由于 $W_{by}=W_3=\sqrt{3}{W}_2,$

得到： $W_{ac}=W_{by}=\sqrt{3}{W}_2=W_3.$

另外从图2可以看出，ac与by是垂直的，故边ac和by所表示的电压幅值大小相等，相位相差90°。这一对电压构成了一个两相对称电压。

图3是本发明采用三相柱式铁心结构的实施例。本实施例中，采用三相柱式铁心，A相和C相的2个绕组布置在铁心两边的心柱上，B相的2个绕组布置在中间的心柱上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；对于A相，绕组AX在外侧，绕组ax靠近心柱；对于C相，绕组CZ在外侧，绕组cz靠近心柱；对于B相，绕组BY在外侧，绕组by靠近心柱。

调整绕组之间轴向或径向距离，使各相绕组之间的短路阻抗满足下列关系

Z′_KA12＝Z′_KC12(2)

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组与A相二次侧绕组之间的短路阻抗；Z'_KC12为C相一次侧绕组与C相二次侧绕组之间的短路阻抗；对于图3所示的三相柱式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(2)，需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定各绕组与心柱之间的距离，各距离保持一致；②调整绕组之间的径向或轴向距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使绕组之间的短路阻抗满足式(2)。调整时保持图3的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与心柱的距离一致。

图4是本发明采用三相壳式铁心结构的实施例。本实施例中，A相和C相的2个绕组对称布置在铁心两边的窗口上，B相的2个绕组布置在中间的窗口上；A相和C相的绕组布置及结构完全相同；所有二次侧绕组均分为匝数相等的两个线饼，同一个绕组的两个线饼既可以串联，也可以并联(图4为串联)；对于A相，绕组AX在窗口的中央，对应于绕组ax的两个线饼布置在绕组AX的两旁，并关于绕组AX对称；对于B相，绕组BY在窗口的中央，对应于绕组by的两个线饼布置在绕组BY的两旁，并关于绕组BY对称；对于C相，绕组CZ在窗口的中央，对应于绕组cz的两个线饼布置在绕组CZ的两旁。

图4所示的三相壳式结构变压器，为满足短路阻抗关系式(1)，同样需对绕组尺寸及相互位置进行适当调整。具体实施步骤如下：①根据绝缘要求确定各绕组与心柱之间的距离，各距离保持一致；②调整绕组之间径向或轴向距离(必要时可改变线圈轴向高度或辐向厚度)，使各对绕组之间的短路阻抗满足式(2)。调整时保持图4的特征不变，且A、B和C三相的一次侧绕组与铁轭的距离一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种船舶用三相变两相平衡变压器，包括铁心、一次侧绕组和二次侧绕组，其特征在于：所述铁心为三相柱式或三相壳式；所述一次侧绕组采用三角形连接，由三相绕组AX、BY、CZ组成，绕组匝数为W₁；二次侧绕组分为两部分，第一部分是匝数均为W₂的A相和C相绕组，A相和C相绕组为串联连接，第二部分是B相一个匝数为W₃的绕组，二次侧绕组的匝数关系为

2.根据权利要求1所述的船舶用三相变两相平衡变压器，其特征在于：一次侧三相电流与二次侧两相负载电流的关系如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K_3}\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{\sqrt{3}}& 0\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& -1\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，W为基准匝数W＝W₁，

调整式(1)中参数，使二次侧两相负载电流大小相等，相位相差90°，达到二次侧两相负载电流对称，同时一次侧三相电流对称，无零序分量，无负序分量。

3.根据权利要求2所述的船舶用三相变两相平衡变压器，其特征在于：

调整绕组之间轴向或径向距离，使各相绕组之间的短路阻抗满足下列关系

Z′_KA12＝Z′_KC12(2)

式中Z'_KA12为A相一次侧绕组与A相二次侧绕组之间的短路阻抗；Z'_KC12为C相一次侧绕组与C相二次侧绕组之间的短路阻抗；二次侧带两相负载时，无论负载电流如何变化，一次侧三相电流中始终无零序分量；二次侧两相负载对称时，一次侧三相电流也对称，既无零序分量，也无负序分量；二次侧两相出线端短路时，从一次侧各相看去的全短路阻抗相等；两相系统实现完全解耦，即一相电流或负荷的变化，不会影响另一相电压的变化。

4.根据权利要求2所述的船舶用三相变两相平衡变压器，其特征在于：所述一次侧三相与二次侧两相负载的空载电压大小相等，相位互差90°。