CN108648902A - 磁集成器件和电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁集成器件，用于实现三相电路中三相变压器和三相LCL滤波器的磁集成，三相LCL滤波器包括靠近三相变压器的三个第一电感器和远离三相变压器的三个第二电感器，其特征在于，磁集成器件包括相互平行的磁芯基座，以及位于磁芯基座之间的公共磁柱和至少两个耦合磁柱；任一耦合磁柱用于缠绕三相变压器的任一对原副边线圈或用于缠绕至少两个第一电感器的线圈；耦合磁柱上开有气隙，公共磁柱上不开气隙。通过将三相变压器和三相LCL滤波器的部分或全部线圈从磁结构上进行集成，并设置公共磁柱，使得集成后的总磁通流向公共磁柱。从而在减小三相电路体积和重量的基础上，避免了由单相的不平衡造成三相不平衡。

Description

磁集成器件和电源转换电路
技术领域
本发明涉及核电厂加热电源的电路领域，特别是涉及一种磁集成器件和电源转换电路。
背景技术
大型电动机由于制造工艺问题，可能存在部分端部线棒距离过近，长时间运行过后，会因为振动摩擦导致电机线棒绕组磨损出现黄粉现象，磨损程度进一步发展则可导致电机绝缘损坏引起电机烧毁等严重故障。目前可通过大型电机线棒加热电源提供低压大电流，对电机线棒进行加热，通过扩张线棒填充适型材料，形成隔离，达到避免磨损产生黄粉的目的。大型电机线棒加热电源电路整体方案如图1所示，从公共电网输入三相380V交流电源；接着，通过三相变压器(即隔离变压器)进行降压处理，该三相变压器变比为2:1，三相变压器处理后输出190V交流电；再通过LCL滤波器对电流进行滤波，接着通过三相整流桥整流；最后，四路DC/DC变换器将整流后的直流电变换为电机线棒绕组所需的低压大电流。
但上述方法存在的问题是，加热电源电路的体积和重量过大，不便于移动到所需维修的电机线棒绕组现场。
发明内容
基于此，有必要针对加热电源电路的体积和重量过大的问题，提供一种磁集成器件和电源转换电路。
一种磁集成器件，用于实现三相电路中三相变压器和三相LCL滤波器的磁集成，三相LCL滤波器包括靠近三相变压器的三个第一电感器和远离三相变压器的三个第二电感器，其特征在于，磁集成器件包括相互平行的磁芯基座，以及位于磁芯基座之间的公共磁柱和至少两个耦合磁柱；
任一耦合磁柱用于缠绕三相变压器的任一对原副边线圈，以及用于缠绕至少两个第一电感器的线圈，以实现同一磁柱上线圈之间的强耦合；
其中，耦合磁柱上开有气隙，公共磁柱上不开气隙，以使耦合磁柱的磁阻大于公共磁柱的磁阻。
在其中一个实施例中，气隙开在耦合磁柱的端部或中部。
在其中一个实施例中，耦合磁柱包括第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱；三相变压器包括第一对原副边线圈、第二对原副边线圈、第三对原副边线圈；第一对原副边线圈、第二对原副边线圈、第三对原副边线圈以相同方式分别缠绕在第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱上。
在其中一个实施例中，第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱上的气隙形状相同。
在其中一个实施例中，耦合磁柱包括第四耦合磁柱，第一电感器包括第一线圈、第二线圈、第三线圈，第一线圈、第二线圈、第三线圈以相同方式共同缠绕在第四耦合磁柱上。
在其中一个实施例中，还包括E型磁芯，E型磁芯包括设于共同基板上且互相平行的第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱，E型磁芯通过第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱与公共磁柱或磁芯基座连接形成闭合框架，E型磁芯上互相平行的磁柱上开有气隙且缠绕第二电感器的线圈。
在其中一个实施例中，第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱开有气隙，第二电感器包括第四线圈、第五线圈、第六线圈，第四线圈、第五线圈、第六线圈以相同方式分别缠绕在第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱上。
在其中一个实施例中，第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱上的气隙形状相同。
在其中一个实施例中，一种电源转换电路，用于将三相高压交流电转换为低压大电流直流电的形式输出，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项的磁集成器件、用于将高压交流电转换为高压直流电的三相整流桥、用于将高压直流电转换为低压大电流直流电的变换器；
其中，磁集成器件的输入端用于输入三相高压交流电，磁集成器件的输出端连接三相整流桥的输入端；三相整流桥的输出端连接变换器的输入端，变换器的输出端输出转换后的低压大电流直流电。
在其中一个实施例中，三相整流桥的开关器件采用全控性开关管。
上述磁集成器件及电源转换电路，通过将三相变压器和三相LCL滤波器的部分或全部线圈从磁结构上进行集成，并设置公共磁柱，使得集成后的总磁通流向公共磁柱。从而在减小三相电路体积和重量的基础上，避免了由单相的不平衡造成三相不平衡，改善磁集成后电路的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
图1为大型电机线棒加热电源电路整体方案电路图；
图2为本申请一实施例的磁集成器件结构图；
图3为图2实施例的磁集成器件中三相变压器各原副边线圈的磁通方向图；
图4为图2实施例的磁集成器件中第一电感器的三个线圈磁通方向图；
图5为本申请又一实施例的磁集成器件结构图；
图6为在图2基础上新增了E型磁芯的磁集成器件结构图；
图7为本申请再一实施例的磁集成器件结构图；
图8为本申请一实施例的电源转换电路的结构图；
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本申请的实施例提供一种磁集成器件，用于实现三相电路中三相变压器和三相LCL滤波器的磁集成，三相LCL滤波器包括靠近三相变压器的三个第一电感器和远离三相变压器的三个第二电感器，其中，磁集成器件包括相互平行的磁芯基座，以及位于磁芯基座之间的公共磁柱和至少两个耦合磁柱；
任一耦合磁柱用于缠绕三相变压器的任一对原副边线圈或用于缠绕至少两个第一电感器的线圈，以实现同一磁柱上线圈之间的强耦合；
其中，耦合磁柱上开有气隙，公共磁柱上不开气隙，以使耦合磁柱的磁阻大于公共磁柱的磁阻。
将三相变压器和三相LCL滤波器的部分或全部线圈从磁结构上进行集成，并设置公共磁柱，使得集成后的总磁通流向公共磁柱。从而在减小三相电路体积和重量的基础上，避免了由单相的不平衡造成三相不平衡，改善磁集成后电路的性能。
在一个实施例中，一种磁集成器件，用于实现三相电路中三相变压器和三相LCL滤波器的磁集成，所述三相LCL滤波器包括靠近所述三相变压器的三个第一电感器和远离所述三相变压器的三个第二电感器，其特征在于，所述磁集成器件包括相互平行的磁芯基座，以及位于所述磁芯基座之间的公共磁柱和至少两个耦合磁柱；
所述耦合磁柱用于缠绕所述三相变压器的任一对原副边线圈，所述耦合磁柱还用于缠绕至少两个所述第一电感器的线圈，以实现同一磁柱上线圈之间的强耦合；
其中，所述耦合磁柱上开有气隙，所述公共磁柱上不开气隙，以使耦合磁柱的磁阻大于公共磁柱的磁阻。
以下以图1的电路为基础，在各实施例中具体说明如何对三相电路中的三相变压器和三相LCL滤波器进行磁集成并提供相应的磁集成器件结构示例。可以理解，在其他包括三相变压器和三相LCL滤波器的类似电路中，也可以采用本申请的磁集成器件以实现减小体积和重量的目的。
图2为本申请一实施例的磁集成器件结构图。磁集成器件包括：相互平行的磁芯基座111、112，以及位于磁芯基座111、112之间的公共磁柱120、第一耦合磁柱131、第二耦合磁柱132、第三耦合磁柱133、第四耦合磁柱134。其中，第一耦合磁柱131、第二耦合磁柱132、第三耦合磁柱133、第四耦合磁柱134上分别开有气隙141、142、143和144，公共磁柱120上不开气隙。图2中各线圈符号与图1相对应。其中，线圈TPA和TSA为第一对原副边线圈，线圈TPB和TSB为第二对原副边线圈，线圈TPC和TSC为第三对原副边线圈。线圈Lg1、Lg2和Lg3为靠近三相变压器的三个第一电感器的线圈。线圈TPA和TSA缠绕在第一耦合磁柱131上，线圈TPB和TSB缠绕在第二耦合磁柱132上，线圈TPC和TSC缠绕在第三耦合磁柱133上，线圈Lg1、Lg2和Lg3以相同的方式共同缠绕在第四耦合磁柱134上。
本实施例实现同一磁柱上线圈之间的强耦合，磁集成后三相变压器的任一对原副边缠绕在同一耦合磁柱上，即可实现了原副边的强耦合，此时磁通同时流经原副边，因此能很好的将原边能量传递到副边。同传统的三相三柱的分立变压器结构不同，由于公共磁柱120不开气隙，即磁阻接近0，而各耦合磁柱上开气隙，使得耦合磁柱的磁柱大于公共磁柱的磁阻。因此，三相变压器集成后的总磁通不是在磁柱131、132、133间相互流通，而是共同流向公共磁柱120(如图3所示)，所以三相变压器各相的磁通互不耦合，在三相当中某一相故障时，公共磁通的存在避免了由单相的不平衡造成三相不平衡，极大程度上改善了磁集成后变压器的主要性能。
同理，线圈Lg1、Lg2和Lg3共同绕在第四耦合磁柱134上，磁通互相耦合，通过耦合可增加互感，滤波效果更好，同时磁通也共同流向公共磁柱120(如图4所示)，避免了各耦合磁柱之间的磁通干扰。如果线圈Lg1、Lg2和Lg3中流经的电流，三相完全对称，且三个电感完全相同，则三相磁通总和为零。若三相不完全对称以及三个电感有所大小差别，由于公共磁柱没有气隙120，磁阻很小，则此部分磁通会流过公共磁柱120，避免电感线圈之间互相干扰。
需要说明的是，既可以将上述提及的9个线圈(TPA、TSA、TPB、TSB、TPC、TSC、Lg1、Lg2和Lg3)都磁集成在磁集成器件上，也可以选择将9个线圈中的部分线圈(如选择第一、二对原副边线圈)集成在磁集成器件上。
在一个实施例中，第一、二、三耦合磁柱上的气隙形状相同。重新参见图2，第一、二、三耦合磁柱上的气隙分别为气隙141、142和143的形状相同，从而使得第一、二、三耦合磁柱的磁阻相同，相同气隙的存在可以保证三相平衡。
在一个实施例中，气隙141、142、143、144可以位于耦合磁柱131、132、133、134的端部。
在一个实施例中，如图5所示，第一耦合磁柱131、第二耦合磁柱132、第三耦合磁柱133、第四耦合磁柱134上分别开有气隙145、146、147和148，公共磁柱120上不开气隙。气隙145、146、147、148可以位于耦合磁柱131、132、133、134的中部。气隙在耦合磁柱上的位置不限，只要能够增大磁柱的磁阻值即可。
在一个实施例中，图6的磁集成器件在图2的基础上新增了E型磁芯，该E型磁芯包括设于共同基板150上且互相平行的第一解耦磁柱161、第二解耦磁柱162、第三解耦磁柱163，E型磁芯通过解耦磁柱161、162、163与公共磁柱120连接形成闭合框架。进一步地，E型磁芯上互相平行的磁柱上开有气隙且缠绕第二电感器的线圈。具体地，解耦磁柱161、162、163上开有气隙，该气隙可以位于解耦磁柱的端部也可以位于解耦磁柱的中部，具体位置不限，只要能够增加解耦磁柱的磁阻即可。第二电感器包括第四线圈Lf1、第五线圈Lf2、第六线圈Lf3，线圈Lf1、Lf2、Lf3以相同方式分别缠绕在解耦磁柱161、162、163上。
在一个实施例中，解耦磁柱161、162、163上的气隙形状相同。从而保证了电路三相平衡且磁柱161、162、163之间的磁通共同流向公共磁柱120，互不耦合。
需要说明的是，既可以将上述提及的12个线圈(TPA、TSA、TPB、TSB、TPC、TSC、Lg1、Lg2、Lg3、Lf1、Lf2和Lf3)都磁集成在磁集成器件上，也可以选择将12个线圈中的部分线圈(如选择第一、二对原副边线圈、第二电感器的三个线圈)集成在磁集成器件上。
在一个实施例中，图7为本申请再一实施例的磁集成器件结构示意图。
图7的磁集成器件与图6的区别在于，E型磁芯通过第一、二、三解耦磁柱与磁芯基座111连接形成闭合框架，而不是与公共磁柱120连接形成闭合框架。同理，也可以与磁芯基座112连接形成闭合框架。此时磁芯基座111或112在磁集成器件中起到的作用与公共磁柱120相同，都是用于接收磁通。图7中的磁集成器件的其他部分具体结构类似图6，在此不在赘述。
本申请的实施例还提供一种电源转换电路，用于将三相高压交流电转换为低压大电流直流电的形式输出，包括前述各实施例的磁集成器件、还包括用于将高压交流电转换为高压直流电的三相整流桥、用于将高压直流电转换为低压大电流直流电的变换器；
其中，磁集成器件的输入端用于输入三相高压交流电，磁集成器件的输出端连接三相整流桥的输入端；三相整流桥的输出端连接变换器的输入端，变换器的输出端输出转换后的低压大电流直流电。
以下以图1的电路为基础，在各实施例中具体说明该电源转换电路的结构。可以理解，在其他工作原理类似电路中，也可以采用本申请的电源转换电路以实现减小体积和重量的目的。
图8为本申请一实施例的电源转换电路的结构图。用于对电路中的三相变压器和滤波器进行磁集成，不但能实现三相变压器和滤波器各自的隔离功能和滤波功能，还能减小体积和密度，增加便携性。具体如下：
UA、UB、UC为公共电网提供的三相380V交流电源。还可以是其他数值范围的三相高压交流电源。
公共电网提供的三相交流电源通过三相变压器进行降压处理，该变压器变比可以为2:1，即经三相变压器处理后可以输出190V交流电。通过采用隔离变压器，使得原副边线圈没有电的直接连接，从而达到该电源转换电路和电网进行隔离的作用。再通过LCL滤波器对电流进行滤波处理。电源转换电路中的三相变压器和三相LCL滤波器集成在磁集成器件上，该磁集成器件的结构原理可参考上述实施例，在此不再赘述。
相较于L型滤波器，LCL滤波器有更好的滤波功能，滤波效果好，且电感体积和成本也较低。
接着通过三相整流桥对LCL滤波器输出的交流电进行整流，可以输出200V直流电。该整流桥可以包括开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6。该开关器件可采用晶闸管，如半控型开关器件晶闸管。优选地，该开关器件可采用全控性开关器件，能够有效地控制整流电压的大小，并能够实现电网侧较小的谐波干扰，提高功率因数。通过控制该全控性开关器件的通断，来达到变换该电源转换电路的输入和输出能量关系的目的。另一方面，可通过提高全控型开关器件的开关频率可降低电路中元器件的性能参数要求，从而减小变换器中电感、电容和变压器的体积，进而提高电源转换电路的功率密度。
最后，四路DC/DC变换器可将整流后的直流电变换为电机线棒绕组所需的200V低压大电流直流电。在一个实施例中，四路DC/DC变换器可以接收整流桥输出的200V直流电，四路输出，每路为125A，共500A，输出电压为100V，采用四路并联结构。同时这四路输出还能做到冗余设计，当其中一路出现故障时，则其余三路共提供500A的电流。在四路DC/DC变换器中，输出波形采用交错控制的方式，本发明采用额定工作时200V降为100V，则占空比为0.5，在此占空比下，两路互差180度，则可实现零纹波。从而为电机绕组负载提供100V、500A的电源以对大型电机线棒进行通流加热，以便满足线棒扩张的需要，解决黄粉问题。
需要说明的是，上述电路中的电压以及电流参数仅为了更直观地说明本申请，其参数还可以是其他符合电路原理的数值。该电源转换电路主要用于电机线棒加热，并可拓展应用于各类需求大型直流电源的试验和工作中。
以下对本申请中涉及的物理公式进行说明。
继续参见图1、图8，三相LCL滤波器和三相整流桥构成三相电压型PWM整流器，本申请整流输出稳定在200V直流电，靠近三相变压器的三个第一电感器的电感表达式为：
其中,ig1、ig2和ig3为靠近三相变压器侧电感的电流值，Lg1、Lg2和Lg3为靠近三相变压器侧电感的自感量，Mg12、Mg13和Mg23为互感值，UTSA、UTSB和UTSC为三相变压器副边输出电压，UC1、UC2和UC3为LCL滤波器电容的电压。
原理三相变压器的三个第二电感器的电感表达式为：
其中，Lf1、Lf2和Lf3为三个第二电感器的自感量，ULf1、ULf2和ULf3为LCL滤波器变换器电感电压，开关信号Sa、Sb和Sc所作用的时间长短根据所采用的调制方法来确定，例如SPWM、SVPWM等。对三相整流桥(逆变桥)的开关信号做如下的定义：
在本申请的某一应用场景中，针对大型电机的黄粉现象，本申请的电源转换电路可作为大型电机线棒加热电源，其具有移动灵活，便携方便的特性，能够现场就近就地直接维护维修，节省了大量的时间去返厂，因此能够更有效的使电机工作，保证经济利益。另一方面，在一个实施例中，本申请的电源转换电路可作为大型电机线棒加热电源，其采用了最新的磁集成技术，能有效的减小变压器和滤波器的体积和重量，降低成本，更能提高便携性。此外，能够做到冗余设计，保证设备安全可靠运行；交错并联设计的DC/DC环节，能够更多的降低纹波，输出平滑稳定。在一个实施例中，本申请应用于大型电机线棒加热电源时，主要用于处理电机端部线棒磨损故障时，对电机进行通流加热，以便进行线棒扩张。还可用于电机绝缘受潮时通流烘干，及其它需求大型直流电源的试验及工作中。在一个实施例中，使用本申请的电源转换电路可快速处理电机端部线棒磨损故障，避免原电机必须返厂更换全部线圈，大大节约了检修工期。且该设备体积小，功率大，可方便推广至各类需求大型直流电源的试验及工作中。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种磁集成器件，用于实现三相电路中三相变压器和三相LCL滤波器的磁集成，所述三相LCL滤波器包括靠近所述三相变压器的三个第一电感器和远离所述三相变压器的三个第二电感器，其特征在于，所述磁集成器件包括相互平行的磁芯基座，以及位于所述磁芯基座之间的公共磁柱和至少两个耦合磁柱；
任一所述耦合磁柱用于缠绕所述三相变压器的任一对原副边线圈，以及用于缠绕至少两个所述第一电感器的线圈，以实现同一磁柱上线圈之间的强耦合；
其中，所述耦合磁柱上开有气隙，所述公共磁柱上不开气隙，以使耦合磁柱的磁阻大于公共磁柱的磁阻。
2.根据权利要求1所述的磁集成器件，其特征在于，所述气隙开在所述耦合磁柱的端部或中部。
3.根据权利要求1所述的磁集成器件，其特征在于，所述耦合磁柱包括第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱；所述三相变压器包括第一对原副边线圈、第二对原副边线圈、第三对原副边线圈；所述第一对原副边线圈、第二对原副边线圈、第三对原副边线圈以相同方式分别缠绕在所述第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱上。
4.根据权利要求3所述的磁集成器件，其特征在于，所述第一耦合磁柱、第二耦合磁柱、第三耦合磁柱上的气隙形状相同。
5.根据权利要求1或3所述的磁集成器件，其特征在于，所述耦合磁柱包括第四耦合磁柱，所述第一电感器包括第一线圈、第二线圈、第三线圈，所述第一线圈、第二线圈、第三线圈以相同方式共同缠绕在所述第四耦合磁柱上。
6.根据权利要求1所述的磁集成器件，其特征在于，还包括E型磁芯，所述E型磁芯包括设于共同基板上且互相平行的第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱，所述E型磁芯通过所述第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱与所述公共磁柱或所述磁芯基座连接形成闭合框架，所述E型磁芯上互相平行的磁柱上开有气隙且缠绕所述第二电感器的线圈。
7.根据权利要求6所述的磁集成器件，其特征在于，所述第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱开有气隙，所述第二电感器包括第四线圈、第五线圈、第六线圈，所述第四线圈、第五线圈、第六线圈以相同方式分别缠绕在所述第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱上。
8.根据权利要求6所述的磁集成器件，其特征在于，所述第一解耦磁柱、第二解耦磁柱、第三解耦磁柱上的气隙形状相同。
9.一种电源转换电路，用于将三相高压交流电转换为低压大电流直流电的形式输出，其特征在于，包括：权利要求1至8任一项所述的磁集成器件、用于将高压交流电转换为高压直流电的三相整流桥、用于将所述高压直流电转换为低压大电流直流电的变换器；
其中，所述磁集成器件的输入端用于输入所述三相高压交流电，所述磁集成器件的输出端连接三相整流桥的输入端；所述三相整流桥的输出端连接变换器的输入端，变换器的输出端输出转换后的低压大电流直流电。
10.根据权利要求9所述的电源转换电路，其特征在于，所述三相整流桥的开关器件采用全控性开关管。
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