CN109326430A - 升压自耦变压器以及包含这种自耦变压器的ac-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及升压自耦变压器以及包含这种自耦变压器的AC‑DC转换器。所述自耦变压器配置为在输入时接收三相交流电流，例如，具有恒定频率的115VAC，并输出九个输出电压，这九个输出电压供应至18‑脉冲整流桥组件，以便提供高直流电压，例如，+270 VDC/‑270 VDC。本发明特别适用于航空领域的AC‑DC转换器。

Description

升压自耦变压器以及包含这种自耦变压器的AC-DC转换器
技术领域
本发明涉及升压自耦变压器和包含这种自耦变压器的AC-DC转换器。
背景技术
在航空领域，当涉及能量超过液压或气动能量时，电力逐渐成为主导。机载航空电网目前正朝着使用如新的HVDC(高压直流，High Voltage Direct Current)网络所提供的DC电流结合高电压电平的方向发展。因此，使用涡轮机产生的三相AC电流(例如，具有恒定频率的115VAC)被转换成高DC电压(例如，+270VDC/-270VDC)。为了执行这种转换操作，通常使用由自耦变压器和整流桥组件形成的组件，能够以名称ATRU(自耦变压器整流单元，“Auto Transformer Rectifier Unit”)来指代该组件。可以回顾一下，自耦变压器是一种特殊类型的变压器，其中整个绕组起初级绕组的作用，而到中间点的绕组部分起次级绕组的作用；因此，初级绕组和次级绕组具有共同的部分，而它们之间没有任何电隔离。因此，对于相等的额定功率，自耦变压器比传统变压器体积小且重量轻，这在航空应用中是有利的。
基于电容器的整流器置于自耦变压器的输出端将把频率为AC供电电流频率的谐波的电流重新注入AC电路。因此，电压和电流强度之间的角度相位偏移的值(也称为“cos(cos phi)”)将受到损害，总谐波失真电压(也称为THDv)也将受到损害。为了不必使用具有自耦变压器的滤波单元，并且仍然减少DC电流的残余纹波和重新注入网络的谐波，已经提出了各种解决方案，其涉及在自耦变压器中，通过使用额外的输出人为地创建一个或两个另外的三相网络，通常偏移20°、37°或40°。然后，该结构可以耦合至十二脉冲(对于除主网络之外的一个三相网络)或十八脉冲(对于除主网络之外的两个三相网络)整流器。
如已知的，在输入处采用三相电压的自耦变压器可以由矢量图表示。三相交流电网的三个输入电压形成等边三角形，其中心为中性电压点。各种输出电压可以由矢量表示，该矢量的原点是三角形的中心，矢量的长度表示输出电压的最大幅度，矢量相对于参考矢量的角度表示输出电压的相位。在矢量图上通过多个线段平行来表示存在于自耦变压器的同一个柱上的绕组(由于相同的磁通量流过它们，因此存在于自耦变压器的同一个柱上的绕组磁耦合)。在矢量图上通过线段相交来表示绕组之间的电互连。这些线段的长度表示绕组的匝数。
因此，文献US 2002/0186112 A1公开了一种自耦变压器，其除了主网络之外还人工地重建了两个三相网络，因此而重建的第二个三相网络相对于主网络偏移35°和40°之间(优选地，37°)的相位，重建的第三个三相网络相对于第二个重建的三相网络偏移35°和40°之间(优选地，37°)的相位。第二网络和第三网络的输出电压的幅度位于第一主网络的输出电压的0.73倍和0.78倍之间，优选地等于第一主网络的输出电压的0.767倍。此外，自耦变压器耦合至18-脉冲整流器。因此，该文献描述了所谓的“37°”拓扑。然而，该文献中描述的自耦变压器没有提供用于容纳自耦变压器的质量的解决方案。现在，这个参数在航空应用中是决定性的。制造商通常会改变自耦变压器的额定功率等级，但会牺牲效率的轻微损害，这种效率的轻微损害可以通过高性能冷却系统来补偿，该高性能冷却系统通常使用在提取功率和大质量之间进行折衷的冷板或特定散热器。该额定功率选择的问题在于使用复杂且昂贵的冷却解决方案，并且考虑到要进行的修改的复杂性，即使在冷板的情况下，也难以集成到已经存在的系统中。
因此，本发明的目的是通过改变矢量图，减小矢量的长度来优化自耦变压器的质量，而不使其工业化过程更加复杂。
发明内容
因此，本发明的一个主题是升压自耦变压器，其具有由第一柱、第二柱和第三柱形成的磁芯，所述自耦变压器用于连接到具有给定幅度的三相电源，以给定的幅度供应到第一输入点、第二输入点和第三输入点，所述升压自耦变压器至少供应与三相电源同相并具有给定的幅度的三个输出电压的第一组的三个输出电压，
所述自耦变压器包括：
-第一主绕组，其位于第一输入点和第二输入点之间的第一柱，
-第二主绕组，其位于第二输入点和第三输入点之间的第二柱，
-第三主绕组，其位于第三输入点和第一输入点之间的第三柱，
第一输入点、第二输入点和第三输入点在三角形组件中彼此电连接，
所述自耦变压器进一步包括：
-第一附加绕组，其磁耦合至第三主绕组并由第一附加端子定界，在第一附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第一电压，第一附加绕组通过位于第一柱的第一中间绕组连接到第一输入点，第一附加绕组和第一中间绕组通过第一端子彼此连接，
-第二附加绕组，其磁耦合至第一主绕组并由第二附加端子定界，在第二附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第二电压，第二附加绕组通过位于第二柱的第二中间绕组连接到第二输入点，第二附加绕组和第二中间绕组通过第二端子彼此连接，
-第三附加绕组，其磁耦合至第二主绕组并由第三附加端子定界，在第三附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第三电压，第三附加绕组通过位于第三柱的第三中间绕组连接到第三输入点，第三附加绕组和第三中间绕组通过第三端子彼此连接。
因此，本发明的另一个主题是升压自耦变压器，其具有由第一柱、第二柱和第三柱形成的磁芯，所述自耦变压器用于连接到具有给定幅度的三相电源，以给定的幅度供应到第一输入点、第二输入点和第三输入点，所述自耦变压器至少供应与三相电源同相并具有给定的幅度的三个输出电压的第一组的三个输出电压，
所述自耦变压器包括：
-第一主绕组，其位于第一输入点和第二输入点之间的第一柱，
-第二主绕组，其位于第二输入点和第三输入点之间的第二柱，
-第三主绕组，其位于第三输入点和第一输入点之间的第三柱，
第一输入点、第二输入点和第三输入点在三角形组件中彼此电连接，
所述自耦变压器进一步包括：
-第一附加绕组，其磁耦合至第一主绕组并由第一附加端子定界，在第一附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第一电压，第一附加绕组通过位于第三柱的第一中间绕组连接到第一输入点，第一附加绕组和第一中间绕组通过第一端子彼此连接，
-第二附加绕组，其磁耦合至第二主绕组并由第二附加端子定界，在第二附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第二电压，第二附加绕组通过位于第一柱的第二中间绕组连接到第二输入点，第二附加绕组和第二中间绕组通过第二端子彼此连接，
-第三附加绕组，其磁耦合至第三主绕组并由第三附加端子定界，在第三附加端子处输送三个输出电压的第一组中的第三电压，第三附加绕组通过位于第二柱的第三中间绕组连接到第三输入点，第三附加绕组和第三中间绕组通过第三端子彼此连接。
有利地，所述自耦变压器进一步供应三个输出电压的第二组的三个输出电压和三个输出电压的第三组的三个输出电压，并具有与三个输出电压的第一组的三个输出电压的期望最大幅度不同的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-第一辅助绕组，其磁耦合至第二主绕组，第一辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第一电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第一电压的端子定界，第一辅助绕组在与第一输入点分隔的第一中间点处连接到第一中间绕组，
-第二辅助绕组，其磁耦合至第三主绕组，第二辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第二电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第二电压的端子定界，第二辅助绕组在与第二输入点分隔的第二中间点处连接到第二中间绕组，
-第三辅助绕组，其磁耦合至第一主绕组，第三辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第三电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第三电压的端子定界，第三辅助绕组在与第三输入点分隔的第三中间点处连接到第三中间绕组。
作为一个变体，所述自耦变压器进一步供应三个输出电压的第二组的三个输出电压和三个输出电压的第三组的三个输出电压，并具有与三个输出电压的第一组的三个输出电压的期望最大幅度相同的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-两个第一附加绕组，所述两个第一附加绕组分别磁耦合至第一主绕组和第三主绕组，所述两个第一附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第一电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第一电压的端子定界，并通过磁耦合至第二主绕组的第一辅助绕组连接到第一输入点，
-两个第二附加绕组，所述两个第二附加绕组分别磁耦合至第二主绕组和第一主绕组，所述两个第二附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第二电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第二电压的端子定界，并通过磁耦合至第三主绕组的第二辅助绕组连接到第二输入点，
-两个第三附加绕组，所述两个第三附加绕组分别磁耦合至第三主绕组和第二主绕组，所述两个第三附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第三电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第三电压的端子定界，并通过磁耦合至第一主绕组的第三辅助绕组连接到第三输入点。
作为一个变体，所述自耦变压器进一步供应三个输出电压的第二组的三个输出电压和三个输出电压的第三组的三个输出电压，并具有比三个输出电压的第一组的三个输出电压的期望最大幅度低的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-第一辅助绕组，其磁耦合至第二主绕组，第一辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第一电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第一电压的端子定界，第一辅助绕组在第一输入点处连接到第一中间绕组，
-第二辅助绕组，其磁耦合至第三主绕组，第二辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第二电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第二电压的端子定界，第二辅助绕组在第二输入点处连接到第二中间绕组，
-第三辅助绕组，其磁耦合至第一主绕组，第三辅助绕组由输送三个输出电压的第二组的第三电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第三电压的端子定界，第三辅助绕组在第三输入点处连接到第三中间绕组。
作为一个变体，所述自耦变压器进一步供应三个输出电压的第二组的三个输出电压和三个输出电压的第三组的三个输出电压，并具有比三个输出电压的第一组的三个输出电压的期望最大幅度低的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-两个第一附加绕组，所述两个第一附加绕组分别磁耦合至第一主绕组和第三主绕组，所述两个第一附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第一电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第一电压的端子定界，并通过磁耦合至第二主绕组的第一辅助绕组连接到第一输入点，
-两个第二附加绕组，所述两个第二附加绕组分别磁耦合至第二主绕组和第一主绕组，所述两个第二附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第二电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第二电压的端子定界，并通过磁耦合至第三主绕组的第二辅助绕组连接到第二输入点，
-两个第三附加绕组，所述两个第三附加绕组分别磁耦合至第三主绕组和第二主绕组，所述两个第三附加绕组分别由输送三个输出电压的第二组的第三电压的端子以及输送三个输出电压的第三组的第三电压的端子定界，并通过磁耦合至第一主绕组的第三辅助绕组连接到第三输入点。
有利地，所述三个输出电压的第二组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压分别相对于三个输出电压的第一组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压相位偏移第一相位偏移角，三个输出电压的第三组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压分别相对于三个输出电压的第一组的第一输出电压、第二输出电压和第三输出电压相位偏移第二相位偏移角，第一相位偏移角和第二相位偏移角具有相同的绝对值，第一相位偏移角为正，第二相位偏移角为负。
有利地，相位偏移角等于37°。
作为一个变体，相位偏移角等于40°。
本发明还涉及一种利用上述自耦变压器的AC-DC转换器，正向偏置二极管连接在自耦变压器的每个输出和转换器的正输出之间，反向偏置二极管连接在自耦变压器的每个输出和转换器的负输出之间。
附图说明
通过阅读参照附图提供的描述，本发明的其它特征、细节和优点将变得显然，所述附图通过示例的方式给出，并且其中：
-图1以简化形式示出了三相自耦变压器；
-图2示出了表示根据本发明的自耦变压器的第一实施方案的矢量图；
-图3示意性地示出了用于第一实施方案的绕组；
-图4示出了表示根据本发明的自耦变压器的第二实施方案的矢量图；
-图5示意性地示出了用于第二实施方案的绕组；
-图6示出了表示根据本发明的自耦变压器的第三实施方案的矢量图；
-图7示意性地示出了用于第三实施方案的绕组；
-图8示出了表示根据本发明的自耦变压器的第四实施方案的矢量图；
-图9示意性地示出了用于第四实施方案的绕组；
-图10至图13示出了上述四个实施方案的替代方案的矢量图；
-图14示意性地示出了根据本发明的18-脉冲自耦变压器整流器。
具体实施方式
图1以简化的方式显示了具有绕组B32、绕组B21和绕组B13(绕组B32、绕组B21和绕组B13包含输入端E1、E2和E3)以及绕组S32、绕组S21和绕组S13(绕组S32、绕组S21和绕组S13与本发明无关)的三相自耦变压器的示例，但是能够示出自耦变压器的工作原理。自耦变压器包括封闭铁磁电路，该封闭铁磁电路包括：
-第一中央柱M21，其接收与第一相相对应的绕组；
-第二侧柱M32，其接收第二相的绕组；
-以及第三侧柱M13，其接收第三相的绕组。
在输入处为三相电压的情况下，在自耦变压器的每个柱中流动的磁通量相等，但是相互之间相位偏移120°。因此，在图2的示意图中，表示输入处电压的矢量OE1、OE2和OE3具有相同的幅度，并且它们之间的角度为120°。如上所述，同一柱的绕组都流过相同的磁通量，因此所述绕组磁耦合。例如，在图2中，平行显示了表示主绕组B21和辅助绕组X3的线段；其显示了主绕组B21和辅助绕组X3之间的磁耦合，后者例如对应于图1的电路的矢量表示中的绕组S21。以上已示出了每个输入电压或输出电压都可以由矢量表示，矢量的长度表示幅度，矢量的方向表示从0°到360°的相位。因此，对于配置为从间隔120°的三个输入相位产生九个相位的自耦变压器，寻求能够从三个输入相位产生九个期望相位的矢量分量。在图2中，在E1、E2和E3处对绕组的端子应用三相电源。
此外，对于矢量分量，任意定义了原点O的中性点，并且自耦变压器的简单输入电压和输出电压将参考该点。三个点E1、E2和E3形成了等边三角形，该等边三角形的原点是点O，因此意味着电压OE1、OE2和OE3的矢量和为零。
对于根据本发明的自耦变压器，试图获取三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)、三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)、以及三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)。三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的电压与输入电压的相位相同。表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的电压的矢量的长度取决于期望的输出电压。例如，对于115VAC的供电电压以及+/-270VDC的输出电压，在表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的电压的矢量的长度与表示输入电压的矢量的长度之间存在系数2，这对应于升压自耦变压器的情况。应注意的是，通过改变表示输出电压的矢量的长度，输出电压将会不同。因此，表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的电压的矢量和输入电压的矢量共线。然后，三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)通过三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)而构建。表示三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压Vap的矢量相对于表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一电压Va的矢量具有37°的第一相位偏移角，并且长度等于表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一电压Va的矢量的长度的0.767倍。根据一个变体，可以由40°的第一相位偏移角来替代37°的第一相位偏移角。然后，从表示电压Vap的矢量通过相同的长度和120°角推导出表示电压Vbp的矢量；同样地，从表示电压Vbp的矢量通过相同的长度和120°角推导出表示电压Vcp的矢量。构建表示三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的电压的矢量的过程类似。表示电压Vapp的矢量的长度等于表示第一电压Va的矢量的长度的0.767倍，两个矢量之间的第二相位偏移角为-37°(或者根据一个变体为-40°)。第一相位偏移角和第二相位偏移角具有相同的绝对值，第一相位偏移角为正，第二相位偏移角为负。然后，从表示电压Vapp的矢量通过相同的长度和-120°角推导出表示电压Vbpp的矢量；同样地，从表示电压Vbpp的矢量通过相同的长度和-120°角推导出表示电压Vcpp的矢量。
图3示出了自耦变压器的另一实施方案。已在图1中示出了具有柱M21、M13和M32的磁路，我们来看图3，在图3中仅示出了面对绕组所安装的三个柱的绕组，图2中的平行线段对应于在同一柱上布置的绕组。此外，这些绕组由图2中的线段表示，所述线段的幅度表示绕组的长度，绕组的长度由围绕柱的绕组的匝数进行限定。
第一柱M21包括第一主绕组B21，该第一主绕组B21另外在图2中表示。第一主绕组B21从第二输入点E2向第一端子K1’延伸。确定第一主绕组B21的长度(即输入点E2和第一端子K1’之间的长度)，使得表示第一端子K1’的点处于三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的等幅圆上。以相同的方式，第二柱M32包括第二主绕组B32，该第二主绕组B32也在图2中表示。第二主绕组B32从第三输入点E3向第二端子K2’延伸。确定第二主绕组B32的长度(即第三输入点E3和第二端子K2’之间的长度)，使得表示第二端子K2’的点处于三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的等幅圆上。最后，第三柱M13包括第三主绕组B13，该第三主绕组B13也在图2中表示。第三主绕组B13从第一输入点E1向第三端子K3’延伸。确定第三主绕组B13的长度(即第一输入点E1和第三端子K3’之间的长度)，使得表示第三端子K3’的点处于三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的等幅圆上。
在第一柱M21上存在第一辅助绕组X1；因此，在第一辅助绕组X1和第二主绕组B32之间存在磁耦合。作为匝数的第一辅助绕组X1的长度等于位于第二输入点E2和第三输入点E3之间的第二主绕组B32的部分的长度。电压Vap和Vapp在第一辅助绕组X1的端子处分接。此外，第一辅助绕组X1经由第一中间点K1电连接至第一主绕组B21。第一辅助绕组X1在与第一输入点E1分隔的第一中间点K1处连接至第一中间绕组Z1。在图2中，第一中间点K1位于表示第一主绕组B21的线段和表示第一辅助绕组X1的线段的交叉点处。由于已知第一主绕组B21和第一辅助绕组X1的位置，因此可以通过测量矢量图上点E1和点K1的间隔距离来推导第一输入点E1与第一中间点K1分隔的匝数。因此，第一主绕组B21中的第一中间点K1处于这样的位置，使得E1和K1之间的匝数n1与第一主绕组B21的总匝数N之间的比率n1/N为：n1/N＝E1K1/E2K1’。因此，匝数n1等于N×E1K1/E2K1’的整数值。以相同的方式，通过循环排列重复操作，通过测量矢量图上点E2和K2的间隔距离可以推导出第二输入点E2与第二中间点K2分隔的匝数，并且通过测量矢量图上点E3和点K3的间隔距离可以推导出第三输入点E3与第三中间点K3分隔的匝数。第二辅助绕组X2在与第二输入点E2分隔的第二中间点K2处连接至第二中间绕组Z2。第三辅助绕组X3在与第三输入点E3分隔的第三中间点K3处连接至第三中间绕组Z3。根据本发明的自耦变压器的各个绕组的匝可以利用铝条或者铜线制造。
然后，由第一端子K1’(已知其在矢量图上的位置)和第一附加端子K1”来定界第一附加绕组Y1。第一附加绕组Y1磁耦合至第三主绕组B13，并且位于第三柱M13上。因此，通过构建表示第一附加绕组Y1的线段(该线段与表示第三主绕组B13的线段平行)可以推导出第一附加端子K1”的位置，第一附加端子K1”位于表示第一附加绕组Y1的线段与电压Va的分接点的交叉点处。第一附加绕组Y1通过位于第一柱M21上的第一中间绕组Z1连接至第一输入点E1。第一附加绕组Y1和第一中间绕组Z1通过第一端子K1’彼此连接。以相同的方式，通过循环排列重复操作，可以由此推导出第二附加端子K2”的位置。第二附加绕组Y2通过位于第二柱M32上的第二中间绕组Z2连接至第二输入点E2。第二附加绕组Y2和第二中间绕组Z2通过第二端子K2’彼此连接。以相同的方式，通过循环排列重复操作，可以由此推导出第三附加端子K3”的位置。第三附加绕组Y3通过位于第三柱M13上的第三中间绕组Z3连接至第三输入点E3。第三附加绕组Y3和第三中间绕组Z3通过第三端子K3’彼此连接。该拓扑结构能够有利地减小传输总电流的矢量的长度，从而减小自耦变压器中绕组的长度和相关的体积，然后在其他绕组中使功率最佳地分配在自耦变压器的输出上，也就是说，最佳地分配电流并且减小变压器的表面电功率(“千伏安额定功率”)。改善电流的分配能够使绕组的截面最小，从而使其总体积减小。因此实现绕组的质量的减小。质量的减小可以有利地为大约10％至15％。
图3示意性地示出了用于结合图2所述的第一实施方案的绕组，使得能够看到各个点在自耦变压器的各个柱上根据上述说明连接的方式。以相同的方式，图5示意性地示出了用于结合图4所示的第二实施方案的绕组。
图4示出了表示本发明的第二实施方案的拓扑的矢量图。用E1、E2和E3表示三相电源的惯例与前一实施方案相同。对于该实施方案，试图获取三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)、三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)，以及三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)，此时三组的电压具有相同的最大幅度。表示输出电压的各个组的矢量的构造与前一实施方案相同。表示三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压Vap的矢量相对于表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一电压Va的矢量具有第一相位偏移角α，并且长度等于表示三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一电压Va的矢量的长度。第一相位偏移角α可以等于37°或等于40°。然后，从表示电压Vap的矢量通过相同的长度和120°角推导出表示电压Vbp的矢量；同样地，从表示电压Vbp的矢量通过相同的长度和120°角推导出表示电压Vcp的矢量。构建表示三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的电压的矢量的过程与上述的实施方案类似。
第二实施方案与第一实施方案的区别之处在于，第一输入点E1与第一中间点K1一致。因此，与前一实施方案相比，可以推导出自耦变压器的各个柱之间的互连的数量。辅助绕组X1磁耦合至第二主绕组B32，因此位于第二柱M32上。在图4的示意图上分别由线段R11-R12和R13-R14表示的两个附加绕组V1a和V1b分别磁耦合至第一主绕组B21和第三主绕组B13，因此分别位于自耦变压器的柱M21和M13上。因此获得关于辅助绕组X1的绕组的对称性，从而改善由于阻抗值的接近而产生的电流的分配。点K1”(表示电压Va)、K2”(表示电压Vb)、K3”(表示电压Vc)、R11(表示电压Vap)、R34(表示电压Vcpp)、R31(表示电压Vcp)、R24(表示电压Vbpp)和R21(表示电压Vbp)具有已知位置，只要它们都内切在中心为O的圆内。点R12(其为具有点R11的附加绕组V1a的两个端子中的一个)通过构建辅助绕组X1和附加绕组V1a之间的交叉点而几何确定。附加绕组V1a的匝数为，形成附加绕组V1a的匝数n1a与第一主绕组B21的总匝数N之间的比率n1a/N为：n1a/N＝R12R11/E2K1’。因此，匝数n1a等于N×R12R11/E2K1’的整数值。通过对称性，可以由此推断出附加绕组V1b的匝数。以相同的方式，通过循环排列重复操作，由此推断出附加绕组V2a、V2b、V3a和V3b的匝数。第一相位偏移角α可以等于37°或40°。为了从一个切换到另一个，改变表示辅助绕组和附加绕组的线段的长度就足够了。例如，为了从37°切换到40°，减小表示附加绕组V1a的线段的长度，并且增大表示辅助绕组X1的线段的长度就足够了。切换到等于40°的第一相位偏移角α有利地能够消除共模电压，因此能够免除笨、重并且昂贵的共模滤波器。
图6和图7示出了本发明的第三实施方案。该实施方案与第一实施方案的区别之处在于，互连的简单性的提高，如图7中具体示出的。简化互连是因为，第一输入点E1与第一中间点K1一致(如同E2与K2和E3与K3的情况)。由图6和图7示出的基于拓扑的绕组的配置与第一实施方案相似。
图8和图9示出了本发明的第四实施方案。与第三实施方案相比，创建了第一附加绕组(W1p，W1pp)、第二附加绕组(W2p，W2pp)和第三附加绕组(W3p，W3pp)以增大期望的最大输出电压。由图8和图9示出的基于拓扑的绕组的配置与第二实施方案相同。
图10至图13示出了上述的四个实施方案的替代方案。
图10示出了第一实施方案的替代方案。根据由图2和图3示出的第一实施方案，第一中间绕组Z1连接至第一主绕组B21上的第一输入点E1，第一附加绕组Y1磁耦合至第三主绕组B13。根据由图10示出的变体，第一中间绕组Z1’连接至第三主绕组B13上的第一输入点E1，第一附加绕组Y1’磁耦合至第一主绕组B21。第一附加绕组Y1’和第一中间绕组Z1’通过第一端子K1”’彼此连接。
同样地，根据由图2和图3示出的第一实施方案，第二中间绕组Z2连接至第二主绕组B32上的第二输入点E2，第二附加绕组Y2磁耦合至第一主绕组B21。根据由图10示出的变体，第二中间绕组Z2’连接至第一主绕组B21上的第二输入点E2，第二附加绕组Y2’磁耦合至第二主绕组B32。第二附加绕组Y2’和第二中间绕组Z2’通过第二端子K2”’彼此连接。
最后，根据由图2和图3示出的第一实施方案，第三中间绕组Z3连接至第三主绕组B13上的第三输入点E3，第三附加绕组Y3磁耦合至第二主绕组B32。根据由图10示出的变体，第三中间绕组Z3’连接至第二主绕组B32上的第三输入点E3，第三附加绕组Y3’磁耦合至第三主绕组B13。第三附加绕组Y3’和第三中间绕组Z3’通过第三端子K3”’彼此连接。
图11、图12和图13分别示出了由图4和图5、图6和图7、以及由图8和图9示出的实施方案的替代方案，以与图10相同的方式构建附加绕组和中间绕组，如前图所示。
图14示出了AC-DC转换器的概视图，该AC-DC转换器包括根据上述的实施方案中的一个实施方案的自耦变压器，其后是三个整流桥，一个整流桥与每组三相电压相关联。因此，自耦变压器有利地用于执行AC-DC电压转换。因此，三相电源在输入E1、E2和E3处连接至自耦变压器。三个输出电压组在自耦变压器的输出处被恢复。三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的电压连接至形成的第一桥PA1，如同常见的，为六个二极管的第一桥PA1。相位偏移+37°(或+40°)的输出连接至六个二极管的第二桥PA2，相位偏移-37°(或-40°)的输出连接至六个二极管的第三桥。三个整流桥具有共同的输出，该输出形成转换器的输出。六个二极管的三个桥的组件输送18-脉冲伪DC电压。
自耦变压器的各种参数(诸如37°或40°的角(相位))，以及输入处的AC电压与期望的DC输出电压之间的比率(增益)可以以使流过自耦变压器的能量的量最小、同时确保18个脉冲的转换为目的进行选择。
在本发明中，通常电压在逆时针方向(E1-E3-E2)上为正。如果本领域技术人员使用另一惯例(在顺时针方向上为正电压)，则他将能够较容易地修改互连。
本说明书适用于升压自耦变压器。然而，本说明书也可以应用于降压自耦变压器。为此，需要修改表示电压Va、Vb、Vc的矢量的绕组，从而使这些矢量比升压自耦变压器的矢量更短，或者需要应用将使这些矢量处于一个三角形中的绕组，然后因此而修改矢量Vap、Vapp的长度，同时也改变创建这些矢量的矢量长度。

Claims (10)

1.一种升压自耦变压器，其具有由第一柱(M21)、第二柱(M32)和第三柱(M13)形成的磁芯，所述自耦变压器用于连接到具有给定幅度的三相电源，以给定的幅度供应到第一输入点(E1)、第二输入点(E2)和第三输入点(E3)，所述升压自耦变压器至少供应与三相电源同相并且具有给定的幅度的三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压，
自耦变压器包括：
-第一主绕组(B21)，其位于第一输入点(E1)和第二输入点(E2)之间的第一柱(M21)，
-第二主绕组(B32)，其位于第二输入点(E2)和第三输入点(E3)之间的第二柱(M32)，
-第三主绕组(B13)，其位于第三输入点(E3)和第一输入点(E1)之间的第三柱(M13)，
所述第一输入点(E1)、第二输入点(E2)和第三输入点(E3)在三角形组件中彼此电连接，
其特征在于，所述自耦变压器进一步包括：
-第一附加绕组(Y1)，其磁耦合至第三主绕组(B13)并由第一附加端子(K1”)定界，在第一附加端子(K1”)处输送三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)中的第一电压(Va)，第一附加绕组(Y1)通过位于第一柱(M21)的第一中间绕组(Z1)连接到第一输入点(E1)，第一附加绕组(Y1)和第一中间绕组(Z1)通过第一端子(K1’)彼此连接，
-第二附加绕组(Y2)，其磁耦合至第一主绕组(B21)并由第二附加端子(K2”)定界，在第二附加端子(K2”)处输送三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)中的第二电压(Vb)，第二附加绕组(Y2)通过位于第二柱(M32)的第二中间绕组(Z2)连接到第二输入点(E2)，第二附加绕组(Y2)和第二中间绕组(Z2)通过第二端子(K2’)彼此连接，
-第三附加绕组(Y3)，其磁耦合至第二主绕组(B32)并由第三附加端子(K3”)定界，在第三附加端子(K3”)处输送三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)中的第三电压(Vc)，第三附加绕组(Y3)通过位于第三柱(M13)的第三中间绕组(Z3)连接到第三输入点(E3)，第三附加绕组(Y3)和第三中间绕组(Z3)通过第三端子(K3’)彼此连接。
2.一种升压自耦变压器，其具有由第一柱(M21)、第二柱(M32)和第三柱(M13)形成的磁芯，所述自耦变压器用于连接到具有给定幅度的三相电源，以给定的幅度供应到第一输入点(E1)、第二输入点(E2)和第三输入点(E3)，所述升压自耦变压器至少供应与三相电源同相并具有给定的幅度的三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压，
自耦变压器包括：
-第一主绕组(B21)，其位于第一输入点(E1)和第二输入点(E2)之间的第一柱(M21)，
-第二主绕组(B32)，其位于第二输入点(E2)和第三输入点(E3)之间的第二柱(M32)，
-第三主绕组(B13)，其位于第三输入点(E3)和第一输入点(E1)之间的第三柱(M13)，
所述第一输入点(E1)、第二输入点(E2)和第三输入点(E3)在三角形组件中彼此电连接，
其特征在于，所述自耦变压器进一步包括：
-第一附加绕组(Y1’)，其磁耦合至第一主绕组(B21)并由第一附加端子(K1”)定界，在第一附加端子(K1”)处输送三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)中的第一电压(Va)，第一附加绕组(Y1’)通过位于第三柱(M13)的第一中间绕组(Z1’)连接到第一输入点(E1)，第一附加绕组(Y1’)和第一中间绕组(Z1’)通过第一端子(K1”’)彼此连接，
-第二附加绕组(Y2’)，其磁耦合至第二主绕组(B32)并由第二附加端子(K2”)定界，在第二附加端子(K2”)处输送三个输出电压(Va，Vb，Vc)的第一组中的第二电压(Vb)，第二附加绕组(Y2’)通过位于第一柱(M21)的第二中间绕组(Z2’)连接到第二输入点(E2)，第二附加绕组(Y2’)和第二中间绕组(Z2’)通过第二端子(K2”’)彼此连接，
-第三附加绕组(Y3’)，其磁耦合至第三主绕组(B13)并由第三附加端子(K3”)定界，在第三附加端子(K3”)处输送三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)中的第三电压(Vc)，第三附加绕组(Y3’)通过位于第二柱(M32)的第三中间绕组(Z3’)连接到第三输入点(E3)，第三附加绕组(Y3’)和第三中间绕组(Z3’)通过第三端子(K3”’)彼此连接。
3.根据权利要求1或2所述的升压自耦变压器，其进一步供应三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的三个输出电压和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的三个输出电压，并具有与三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压的期望最大幅度不同的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-第一辅助绕组(X1)，其磁耦合至第二主绕组(B32)，第一辅助绕组(X1)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压(Vap)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第一电压(Vapp)的端子定界，第一辅助绕组(X1)在与第一输入点(E1)分隔的第一中间点(K1)处连接到第一中间绕组(Z1，Z1’)，
-第二辅助绕组(X2)，其磁耦合至第三主绕组(B13)，第二辅助绕组(X2)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第二电压(Vbp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第二电压(Vbpp)的端子定界，第二辅助绕组(X2)在与第二输入点(E2)分隔的第二中间点(K2)处连接到第二中间绕组(Z2，Z2’)，
-第三辅助绕组(X3)，其磁耦合至第一主绕组(B21)，第三辅助绕组(X3)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第三电压(Vcp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第三电压(Vcpp)的端子定界，第三辅助绕组(X3)在与第三输入点(E3)分隔的第三中间点(K3)处连接到第三中间绕组(Z3，Z3’)。
4.根据权利要求1或2所述的升压自耦变压器，其进一步供应三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的三个输出电压和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的三个输出电压，并具有与三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压的期望最大幅度相同的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-两个第一附加绕组(V1a，V1b)，所述两个第一附加绕组(V1a，V1b)分别磁耦合至第一主绕组(B21)和第三主绕组(B13)，所述两个第一附加绕组(V1a，V1b)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压(Vap)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第一电压(Vapp)的端子定界，并通过磁耦合至第二主绕组(B32)的第一辅助绕组(X1)连接到第一输入点(E1)，
-两个第二附加绕组(V2a，V2b)，所述两个第二附加绕组(V2a，V2b)分别磁耦合至第二主绕组(B32)和第一主绕组(B21)，所述两个第二附加绕组(V2a，V2b)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第二电压(Vbp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第二电压(Vbpp)的端子定界，并通过磁耦合至第三主绕组(B13)的第二辅助绕组(X2)连接到第二输入点(E2)，
-两个第三附加绕组(V3a，V3b)，所述两个第三附加绕组(V3a，V3b)分别磁耦合至第三主绕组(B13)和第二主绕组(B32)，所述两个第三附加绕组(V3a，V3b)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第三电压(Vcp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第三电压(Vcpp)的端子定界，并通过磁耦合至第一主绕组(B21)的第三辅助绕组(X3)连接到第三输入点(E3)。
5.根据权利要求1或2所述的升压自耦变压器，其进一步供应三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的三个输出电压和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的三个输出电压，并具有比三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压的期望最大幅度低的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-第一辅助绕组(X1)，其磁耦合至第二主绕组(B32)，第一辅助绕组(X1)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压(Vap)的端子以及输送三个输出电压的的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第一电压(Vapp)的端子定界，第一辅助绕组(X1)在第一输入点(E1)处连接到第一中间绕组(Z1，Z1’)，
-第二辅助绕组(X2)，其磁耦合至第三主绕组(B13)，第二辅助绕组(X2)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第二电压(Vbp)的端子以及输送三个输出电压的的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第二电压(Vbpp)的端子定界，第二辅助绕组(X2)在第二输入点(E2)处连接到第二中间绕组(Z2，Z2’)，
-第三辅助绕组(X3)，其磁耦合至第一主绕组(B21)，第三辅助绕组(X3)由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第三电压(Vcp)的端子以及输送三个输出电压的的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第三电压(Vcpp)的端子定界，第三辅助绕组(X3)在第三输入点(E3)处连接到第三中间绕组(Z3，Z3’)。
6.根据权利要求1或2所述的升压自耦变压器，其进一步供应三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的三个输出电压和三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的三个输出电压，并具有比三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的三个输出电压的期望最大幅度低的期望最大幅度，所述自耦变压器包括：
-两个第一附加绕组(W1p，W1pp)，所述两个第一附加绕组(W1p，W1pp)分别磁耦合至第一主绕组(B21)和第三主绕组(B13)，所述两个第一附加绕组(V1a，V1b)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一电压(Vap)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第一电压(Vapp)的端子定界，并通过磁耦合至第二主绕组(B32)的第一辅助绕组(X1)连接到第一输入点(E1)，
-两个第二附加绕组(W2p，W2pp)，所述两个第二附加绕组(W2p，W2pp)分别磁耦合至第二主绕组(B32)和第一主绕组(B13)，所述两个第二附加绕组(W2p，W2pp)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第二电压(Vbp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第二电压(Vbpp)的端子定界，并通过磁耦合至第三主绕组(B13)的第二辅助绕组(X2)连接到第二输入点(E2)，
-两个第三附加绕组(W3p，W3pp)，所述两个第三附加绕组(W3p，W3pp)分别磁耦合至第三主绕组(B13)和第二主绕组(B32)，所述两个第三附加绕组(W3p，W3pp)分别由输送三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第三电压(Vcp)的端子以及输送三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第三电压(Vcpp)的端子定界，并通过磁耦合至第一主绕组(B21)的第三辅助绕组(X3)连接到第三输入点(E3)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的升压自耦变压器，所述三个输出电压的第二组(Vap，Vbp，Vcp)的第一输出电压(Vap)、第二输出电压(Vbp)和第三输出电压(Vcp)分别相对于三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一输出电压(Va)、第二输出电压(Vb)和第三输出电压(Vc)相位偏移第一相位偏移角(α)，三个输出电压的第三组(Vapp，Vbpp，Vcpp)的第一输出电压(Vapp)、第二输出电压(Vbpp)和第三输出电压(Vcpp)分别相对于三个输出电压的第一组(Va，Vb，Vc)的第一输出电压(Va)、第二输出电压(Vb)和第三输出电压(Vc)相位偏移第二相位偏移角，第一相位偏移角和第二相位偏移角具有相同的绝对值(α)，第一相位偏移角为正，第二相位偏移角为负。
8.根据权利要求7所述的升压自耦变压器，相位偏移角(α)等于37°。
9.根据权利要求7所述的升压自耦变压器，相位偏移角(α)等于40°。
10.一种交流-直流转换器，其特征在于，所述交流-直流转换器利用根据前述权利要求中的一项所述的自耦变压器，正向偏置二极管连接在自耦变压器的每个输出和转换器的正输出之间，反向偏置二极管连接在自耦变压器的每个输出和转换器的负输出之间。
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