CN106504869A - 中频变压器以及带有中频变压器的半导体变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中频变压器以及带有中频变压器的半导体变换器，其用于应用在变换器(1)中，其包括:‑变压器芯(21)，‑带有多个芯线(22a,22b)的多芯绕组(22)，芯线围绕变压器芯(21)卷绕，其中，芯线(22a,22b)中的每个形成线圈支路(24a,24b);‑接口(23)，在接口处芯线(22a,22b)的相应的端部分别相互电连接;‑感应耦合部(5)，以便使线圈支路(24a,24b)成对地相互感应耦合成使得在线圈支路(24a,24b)中的寄生支路电流补偿。

Description

中频变压器以及带有中频变压器的半导体变换器
技术领域
本发明涉及具有中频变压器(Mittelfrequenztransformator)的半导体变换器(Halbleiterumrichter)、尤其中压-半导体变换器。
背景技术
在中压变换器中的变压器被设置用于传输高功率并且还须满足高的绝缘要求。为了减小变压器的结构尺寸，以数千赫兹的相对高的工作频率使其运行。对于这样的变换器的常见运用是例如牵引运用或电网，在其中以在100kW与1000kW之间的功率、在例如20kV的电压下并且以在5kHz与15kHz之间的变压器频率来使这样的中频变压器运行。
虽然通过中频变压器的较高的工作频率可减小其尺寸，但是结构尺寸减小受对于中压运用所要求的隔离距离和必需的冷却措施限制。
由于高工作频率，通常使用多芯的线用于中频变压器的线圈绕组(Spulenwicklung)，因为由于否则必需的高的线圈导体横截面明显妨碍可机械卷绕性并且此外通过相邻的绕组产生集肤效应(Stromverdraengungseffekt)，其可导致高损耗。在应用该线圈绕组时将各个芯线并联在变压器的接口之间。
由于应用多芯线圈绕组用于中频变压器，然而在变压器芯或变压器轭之外的漏损场(Streufeld)导致在线圈绕组中的感应电压，其引起寄生电流。漏磁场大致平行于变压器芯或轭的取向伸延。由于各个芯线与变压器轭的不同距离，在芯线中产生彼此反向的寄生电流，其由于由芯线形成的线圈绕组的并联可导致环形电流(Ringstrom)。这些环形电流可导致在数百安培范围中的高电流，因为芯线具有低欧姆电阻并且这些环形电流仅受寄生电流的电流路径的内部电感限制。
寄生环形电流与通过中频变压器的线圈绕组的工作电流叠加，从而造成在线圈绕组的芯线内不平衡的电流分布。当寄生环形电流非常高时，芯线中的一个可引导多于总公称电流而芯线中的另一个可引导相应负的、也就是说相移了180°的电流。由此不仅使铜填充系数(Kupferfuellfaktor)减小了50%，而且产生附加的损失，并且中频变压器的最大功率输出减少至二分之一或更少。
补偿该效应的传统的解决方案在于使线圈绕组的芯线扭绞，以便如此减少电流不平衡(Stromungleichgewicht)。然而对于较高的芯线横截面，在制造中芯线的扭绞困难并且导致扭绞的芯线的提高的空间需求，这与意图减小结构尺寸相悖。附加地由于芯线的扭绞在横截面面积较大的情况下高弯曲压力被施加到芯线上，由此会使其受机械损伤并且会损害其导电能力。
由文件US 2015/114676 A1已知以可简单制造的方式减小由于芯线的扭绞的集肤效应。
由文件US 2003/141829 A1和US6,323,602 B1已知设置过滤线圈以平衡负载电流。
发明内容
因此本发明的目的是减少在用于中压运用的中频变压器中环形电流的产生并且避免上面所提及的可由较高横截面面积的芯线的扭绞而产生的问题。
上述目的通过根据权利要求1的中频变压器以及通过根据并列权利要求的带有中频变压器的半导体变换器来实现。
另外的设计方案在从属权利要求中来说明。
根据第一方面，变压器、尤其中频变压器设置用于应用在变换器中，其包括：
-变压器芯，
-带有多个芯线的多芯绕组，芯线围绕变压器芯卷绕，其中，芯线中的每个形成线圈支路(Spulenzweig);
-接口，在接口处芯线的相应的端部分别相互电连接;
-感应耦合部(Kopplung)，以便将线圈支路成对地相互感应耦合成使得补偿在线圈支路中的寄生支路电流。
对于用于应用在变换器中的中频变压器，由于数千赫兹的高工作频率使用多芯导体，其在卷绕变压器芯时形成两个或多于两个线圈绕组，线圈绕组在其接口处并联。通常将芯线铺设成使得其构造在多层绕组组件的不同层中。根据随着与变压器芯的距离增加而减少的漏损通量(Streufluss)，在变压器的运行中在芯线中感应出不同电压，其导致在由芯线形成的线圈支路的绕组中不同的寄生电流。由于芯线的多层布置造成在线圈支路中引起的环绕的电流彼此反向。因为线圈支路在其接口处相连接，由此可产生环形电流，其由于芯线的较小的欧姆电阻可达到较高的电流强度。
对于上述中频变压器，将经由其接口并行相互连接的芯线中的至少两个变压器式地耦合，使得在芯线中的一个中的寄生分支电流导致在芯线中的另一个中的相应同向的寄生补偿电流。由此，在如此耦合的芯线中的每个中支路电流的电流分量相互补偿并且如此可完全或部分地消除。
以该方式可实现变压器的部分绕组的芯线的感应耦合以便使在其中流过的寄生电流相互补偿，而不需芯线的扭绞或者在线圈支路内的其他措施。由此即使在带有较大横截面芯线的线圈绕组中也能够最佳地充分利用变压器中的结构空间并且显著减小绕组损耗。此外可应用感应的、作为共模过滤器(Gleichtaktfilter)起作用的感应耦合部的较小的漏电感(Streuinduktivitaet)，以调谐变压器的漏电感。尤其不给变压器-漏电感附加显著的电感。
此外，感应耦合部可相应在两个芯线之间具有环芯(Ringkern)，交叉地引导不同的线圈支路穿过该环芯，使得其在线圈支路的卷绕方向方面在彼此相反的方向上伸延通过环芯。环芯是由可导磁的材料构成的闭合的圆形元件。其可构造成环形或者具有其他的闭合的形状。
根据一实施形式，感应耦合部可相应在两个芯线之间具有两个环芯，其经由单独的交叉引导的导体环相互耦合，其中，芯线以在接口中的一个与线圈支路之间的区段被引导穿过环芯中的一个并且如此引导导体环穿过环芯使得在其中流动的环形电流在支路电流方面同向地流过环芯
此外，感应耦合部可相应在两个芯线之间具有环芯，其中，线圈支路中的第一线圈支路的芯线在位于该部分绕组与接口中的第二接口之间的区段处被引导穿过环芯而线圈支路中的第二线圈支路的第二芯线以位于该部分绕组与接口中的第一接口之间的区段被引导穿过环芯。
根据一实施形式，在多于两个芯线的情况下为了实现多于两个部分绕组可在线圈支路中的相应两个的任何可能的配对之间设置感应耦合部。
可设置成，多芯绕组被扭绞、尤其被扭绞刚好一次。
根据一实施形式，多芯绕组的芯线可围绕变压器芯成层布置。
根据另一方面，设置有一种变换器，其包括上述变压器和一个或多个逆变器(Wechselrichter)。
此外，该一个或多个逆变器可构造成以在300Hz到30kHz之间、尤其在1kHz到20kHz之间的频率来运行变压器。
附图说明
接下来根据附图来详细阐述实施形式。其中：
图1示出了带有中频变压器的中压变换器的示意图；
图2示出了中频变压器的双芯的线圈绕组的示意性横截面图示;
图3示出了带有线圈支路的感应耦合部的第一变体的中压变压器的电路图；并且
图4示出了带有线圈支路的感应耦合部的另一变体的中压变压器的电路图。
图5示出了带有线圈支路的感应耦合部的另一变体的中压变压器的电路图。
具体实施方式
中频变压器通常应用在用于在10kV与100kV之间的范围中的中压的半导体变换器中。中频变压器的已知的布置方式在于将其布置在半导体逆变器之间。这样的半导体变换器可被用于牵引运用或电网运用。
在图1中示范性示出带有中频变压器2的DC/DC-变换器1。设置有输入侧的DC/AC-逆变器3，以便将输入侧的直流电压UDC1转换成预设的工作频率的第一交变-中间回路电压UAC1。第一交变-中间回路电压UAC1在初级侧被与中频变压器2连接。在次级侧获得第二交变-中间回路电压UAC2。第二交变-中间回路电压UAC2被与输出侧的AC/DC-逆变器4连接。预设的工作频率典型地处于1到20kHz之间。逆变器3、4在此从输入侧的直流电压UDC1产生第一交变-中间回路电压UAC1而从第二交变-中间回路电压UAC2产生输出侧的直流电压UAC2。代替输入侧的直流电压UDC1和/或输出侧的直流电压UDC2，也可在输入侧提供交变电压或在输出侧提供交变电压。
在图2中示例性地在横截面中示出一种这样的中压变压器。辨识出变压器芯21，其卷绕有多芯绕组导体22，使得第一芯线22a卷绕内层且形成第一线圈支路，而第二芯线22b卷绕处于其上的第二层且形成第二线圈支路。线圈支路在两个接口23处相互同向连接，从而其大致并联。通过磁性的漏损场(其在绕组频率变压器的运行中出现并且伸延通过线圈绕组的区域)在线圈支路中感应出电压，其可引导彼此反向的寄生电流。因为线圈支路在其接口处相互连接，寄生电流正地相加并且形成寄生环流，其由于线圈支路的较低的欧姆电阻可达到高电流强度并且由此导致在线圈支路中不一致的电流分布。这导致铜填充系数的显著恶化和附加的电损失，从而可能会使中频变压器的最大功率输出减少至二分之一或更少。
在图3中示出了带有在两个线圈支路24a、24b之间的感应耦合部5的中频变压器2的电路图的示意图。感应耦合部5布置在接口中的一个23与线圈支路之间并且设计成使得在线圈支路中的第一线圈支路24a中的第一寄生支路电流引起在线圈支路中的第二线圈支路24b中的同向的支路电流。由此在线圈支路中的一个中的寄生支路电流由在线圈支路中的另一个中的寄生支路电流来补偿或者完全或部分地消除。以该方式可提供一种共模过滤器，其具有足够高的环路电感(Schleifeninduktivitaet)，以便抑制在由线圈支路24a、24b形成的环路中的寄生支路电流。此外，然而没有给变压器-漏电感附加显著的电感。
在图3中感应耦合部5借助于环芯51来实现，交叉地引导不同线圈支路24a、24b的芯线22a、22b穿过该环芯，使得其在线圈支路24a、24b的卷绕方向方面在彼此相反的方向上伸延穿过环芯51。
在图4的图示中示出了感应耦合部5’的另一可能性。感应耦合部5’具有两个环芯52、53，其经由单独的交叉引导的导体环54相互耦合，从而同样达到感应耦合的效果。尤其将芯线22a、22b中的每个以在接口23与线圈支路之间的区段引导穿过环芯52、53中的一个。此外，如此引导导体环54穿过环芯52、53，使得在其中流动的环形电流在支路电流方面同向地流过环芯52、53。
图5的实施形式同样示出一种感应耦合部5’’，其借助于环芯55来构造。将第一线圈支路24a的第一芯线22a的位于部分绕组与接口中的第二接口23b之间的区段引导通过环芯55。类似地，将第二线圈支路24b的第二芯线22b的位于部分绕组与接口中的第一接口23a之间的区段引导通过同一环芯55。由此，线圈支路24a、24b同样反向耦合，使得寄生支路电流相互补偿。该实施变体具有可避免芯线22a、22b的强烈弯曲的优点，这尤其对于较大的导体横截面可在制造时显现出显著的简化。
如果设置有多于两个芯线以实现多于两个线圈支路，则可在相应两个线圈支路的每个可能的配对之间设置感应耦合部，以有效地补偿寄生环流。

Claims (10)

1.一种变压器(2)、尤其中频变压器，其用于应用在变换器(1)中，其包括:
-变压器芯(21)，
-带有多个芯线(22a,22b)的多芯绕组(22)，所述芯线围绕所述变压器芯(21)卷绕，其中，所述芯线(22a,22b)中的每个形成线圈支路(24a,24b)；
-接口(23)，在所述接口处所述芯线(22a,22b)的相应的端部分别相互电连接;
-感应耦合部(5)，以便使所述线圈支路(24a,24b)成对地相互感应耦合成使得补偿在所述线圈支路(24a,24b)中的寄生支路电流。
2.根据权利要求1所述的变压器(2)，其中，所述感应耦合部(5)相应在两个芯线(22a,22b)之间具有环芯(51)，交叉地引导不同的线圈支路(24a,24b)通过所述环芯，使得所述线圈支路在所述线圈支路(24a,24b)的卷绕方向方面在彼此相反的方向上伸延通过所述环芯(51)。
3.根据权利要求1所述的变压器(2)，其中，所述感应耦合部(5)相应在两个芯线(22a,22b)之间具有两个环芯(52,53)，所述环芯通过单独的交叉引导的导体环(54)相互耦合，其中，所述芯线(22a,22b)以在所述接口(23)中的一个与所述线圈支路(24a,24b)之间的区段被引导通过所述环芯(52,53)中的一个并且如此引导所述导体环(54)通过所述环芯(52,53)，使得在其中流动的环形电流在所述支路电流方面同向地流过所述环芯(52,53)。
4.根据权利要求1所述的变压器(2)，其中，所述感应耦合部相应在两个芯线(22a,22b)之间具有环芯(55)，其中所述线圈支路中的第一线圈支路(24a)的芯线(22a)在位于部分绕组与所述接口中的第二接口(23b)之间的区段处被引导通过所述环芯(55)而所述线圈支路中的第二线圈支路(24b)的第二芯线(22b)以位于所述部分绕组与所述接口中的第一接口(23a)之间的区段被引导通过所述环芯(55)。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的变压器(2)，其中，在多于两个芯线的情况下为了实现多于两个部分绕组在所述线圈支路(24a,24b)中的相应两个的任何可能的配对之间设置有感应耦合部(5)。
6.根据权利要求1到5所述的变压器(2)，其中，所述多芯绕组被扭绞、尤其被扭绞刚好一次。
7.根据权利要求1到6所述的变压器(2)，其中，所述多芯绕组的芯线围绕所述变压器芯(21)成层布置。
8.一种变换器(1)，其带有根据权利要求1到7中任一项所述的变压器(2)且带有一个或多个逆变器(3,4)。
9.根据权利要求8所述的变换器(1)，其中，一个或多个所述逆变器(3,4)构造成使得以在300hz与30kHz之间、尤其在1kHz与20kHz之间的频率来运行所述变压器(2)。
10.根据权利要求8或9所述的变换器(1)，其中，一个或多个所述逆变器(3,4)构造成使得以在50hz到60kHz之间的频率来运行所述变压器(2)。
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