CN109509617B - 双输入交流变压器 - Google Patents

Abstract

双输入交流变压器，它包括一对变压器铁芯(1)及其设置在一对变压器铁芯(1)上的单相输入输出装置或三相输入输出装置,优点是：双输入交流变压器由铁芯和线圈组成，避免使用电力电子器件，一是容量可以做的较大，二是具有较强的抗冲击能力，三是自身的可靠性有保障，四是使用寿命长，五是电压可以做的较高。本发明可以用于提高供电可靠性、大容量电动机调速及大容量电动机起动等方面。

Description

双输入交流变压器

技术领域

本发明涉及机电设备领域，具体涉及双输入交流变压器。

背景技术

目前，工矿企业电力系统存在以下问题：

一、供电可靠性：石油化工、钢铁、玻璃、电子等行业，对供电可靠性的要求非常高，尤其是其中一些关键设备或系统哪怕出现极短时间的电压波动都可能造成较大的影响。这些对供电要求较高的行业，一般配备两套独立的电源，所谓独立就是关联性不强，同时停电的概率极低。这两套独立电源一般是高压电源，如：110kV，他们进入企业后，一般是分别带负荷，当其中一个电源停电或者较大波动时通过母联备自投或者快切装置切换到另一个电源。虽然这种切换非常快，但是由于是先断后通，还是有中断过程，对于一些较为敏感的设备（如：仪表控制系统、变频器等）以及控制和联锁较为复杂的系统来说，这种切换带来的波动是不能接受的；

使用电力电子器件经过两路整流再逆变输出可以在一定程度上解决以上问题，但是其最大的问题有两个：一是容量难以做的较大，二是抗冲击能力较差，尤其是不适合有电动机起动的场所。

二、大容量电动机调速：工矿企业中机泵调速节能的效果非常明显，一般的调速手段有变频调速、液力耦合器调速及永磁滑差调速等。其中低压变频器由于其技术成熟、运行稳定、性价比较高得到了广泛的运用，但是高压变频器由于其电力电子功率原件电压的限制，需要多元件串联运行，故障率较高，价格也较高，大容量电动机的调速根据现场安装空间等实际情况，一部分选择液力耦合器调速及永磁滑差调速。但是液力耦合器调速及永磁滑差调速但是属于能耗调速，效率较低。

变频调速需要配置与电动机同容量甚至大一到两档容量的变频器，但是一般效果较好的节电功率也只在20%~30%左右，价格昂贵的变频器的大部分容量没有发挥节能作用。

三、大容量电动机起动：随着国民经济的发展，石油化工、冶金等行业规模越来大，单台机组的容量也越来越大，大型电动机的起动成为一个问题。目前大电动机常用的起动方式有：变频器软起动、变压器电动机组直接起动、降压软起动、降压补偿软启动等。

发明内容

本发明的目的就是针对上述之不足，而提供双输入交流变压器，

本发明它包括一对变压器铁芯及其设置在一对变压器铁芯上的单相输入输出装置或三相输入输出装置。

单相输入输出装置包括第一输入线圈、第二输入线圈和输出线圈，第一输入线圈和第二输入线圈分别缠绕在一对变压器铁芯 的绕线柱上，输出线圈缠绕在第一输入线圈和第二输入线圈上，输出线圈通过一对变压器铁芯与第一输入线圈、第二输入线圈进行电磁耦合，第一输入线圈和第二输入线圈的匝数分别为n₁和n₂，输出线圈的输出匝数为n，第一输入线圈的接入电压为U₁，第二输入线圈的线圈接入电压为U₂，输出线圈的输出电压U为带有变比关系的第一输入线圈的电压U₁和第二输入线圈的电压U₂的矢量和，。

三相输入输出装置包括在一对变压器铁芯上的第一变压器铁芯内设有的A1绕线柱、B1绕线柱和C1绕线柱以及在一对变压器铁芯的第二变压器铁芯内设有的A2绕线柱、B2绕线柱和C2绕线柱，

A1绕线柱上缠绕有A1输入线圈，B1绕线柱上缠绕有B1输入线圈，C1绕线柱上缠绕有C1输入线圈，A1输入线圈、B1输入线圈和C1输入线圈的匝数相同，

A2绕线柱上缠绕有A2输入线圈，B2绕线柱上缠绕有B2输入线圈，C2绕线柱上缠绕有C2输入线圈，A2输入线圈、B2输入线圈和C2输入线圈的匝数相同，

A输出线圈缠绕在A1输入线圈和A2输入线圈上，B输出线圈缠绕在B1输入线圈和B2输入线圈上，C输出线圈缠绕在C1输入线圈和C2输入线圈上，A输出线圈、B输出线圈和C输出线圈的匝数相同，

A1输入线圈、B1输入线圈和C1输入线圈的匝数均为n₁，

A2输入线圈、B2输入线圈和C2输入线圈的匝数均为n₂，

A输出线圈、B输出线圈和C输出线圈的匝数均为n，

匝数为n₁的输入线圈接入的电压均为U₁，匝数为n₂的输入线圈接入的电压均为U₂，

A输出线圈的输出电压U为带有变比关系的A1输入线圈的电压U₁和A2输入线圈的电压U₂的矢量和，，

B输出线圈的输出电压U为带有变比关系的B1输入线圈的电压U₁和B2输入线圈的电压U₂的矢量和，，

C输出线圈的输出电压U为带有变比关系的C1输入线圈的电压U₁和C2输入线圈的电压U₂的矢量和，。

本发明优点是：双输入交流变压器由铁芯和线圈组成，避免使用电力电子器件，一是容量可以做的较大，二是具有较强的抗冲击能力，三是自身的可靠性有保障，四是使用寿命长，五是电压可以做的较高。本发明可以用于提高供电可靠性、大容量电动机调速及大容量电动机起动等方面。

在提高供电可靠性方面：此变压器有两个输入和一个输出，正常运行时两个输入电源同时工作，共同给负载供电，只要两个输入不同时停电或波动，可以保证输出不会出现中断或超出允许范围的波动；由于不存在先断后通这一过程，只有由两个电源供电向一个电源供电的过渡过程，负载电压波动非常小；对于具有两套独立电源的场所，使用这种双输入交流变压器给关键的敏感设备或系统供电，将极大的降低断电风险，而且能够保持这两个电源的独立性。

在大容量电动机调速方面：利用本发明可以使用技术成熟、价格低廉的较小容量的低压变频器驱动高压大容量电动机。

在大容量电动机起动方面：本发明提供了一种高压大容量电动机起动方案，一方面综合了变压器电动机组、降压及补偿起动；另一方面由于电阻、电抗器及电容器等降压及补偿设备并不是按照常规方式接在电动机的高压输入侧，采用星形接法形成的中性点可以接地，设备的绝缘等级可以做的较低。

图1是本发明双输入交流变压器结构示意图。

图2是本发明图1侧视结构示意图。

图3是本发明图2A-A剖视结构示意图。

图4是本发明双输入交流变压器电路结构示意图。

图5是本发明双输入交流变压器工作时的电压矢量示意图。

图6是本发明三相双输入交流变压器的剖视结构示意图。

图7是本发明三相双输入交流变压器的符号示意图。

图8是本发明三相双输入交流变压器使用变频器VFD对电动机M进行调速的示意图。

图9是本发明三相双输入交流变压器第二输入线圈接入电容C形成变压器电动机M组降压补偿软起动示意图。

具体实施方式

如附图所示，本发明它包括一对变压器铁芯1及其设置在一对变压器铁芯1上的单相输入输出装置或三相输入输出装置。

单相输入输出装置包括第一输入线圈3、第二输入线圈4和输出线圈5，第一输入线圈3和第二输入线圈4分别缠绕在一对变压器铁芯1 的绕线柱上，输出线圈5缠绕在第一输入线圈3和第二输入线圈4上，输出线圈5通过一对变压器铁芯1与第一输入线圈3、第二输入线圈4进行电磁耦合，第一输入线圈3和第二输入线圈4的匝数分别为n₁和n₂，输出线圈5的输出匝数为n，第一输入线圈3的接入电压为U₁，第二输入线圈4的线圈接入电压为U₂，输出线圈5的输出电压U为带有变比关系的第一输入线圈3的电压U₁和第二输入线圈4的电压U₂的矢量和，。

三相输入输出装置包括在一对变压器铁芯1上的第一变压器铁芯8内设有的A1绕线柱311、B1绕线柱312和C1绕线柱313以及在一对变压器铁芯1的第二变压器铁芯9内设有的A2绕线柱321、B2绕线柱322和C2绕线柱323，

A1绕线柱311上缠绕有A1输入线圈314，B1绕线柱312上缠绕有B1输入线圈315，C1绕线柱313上缠绕有C1输入线圈316，A1输入线圈314、B1输入线圈315和C1输入线圈316的匝数相同，

A2绕线柱321上缠绕有A2输入线圈324，B2绕线柱322上缠绕有B2输入线圈325，C2绕线柱323上缠绕有C2输入线圈326，A2输入线圈324、B2输入线圈325和C2输入线圈326的匝数相同，

A输出线圈331缠绕在A1输入线圈314和A2输入线圈324上，B输出线圈332缠绕在B1输入线圈315和B2输入线圈325上，C输出线圈333缠绕在C1输入线圈316和C2输入线圈326上，A输出线圈331、B输出线圈332和C输出线圈333的匝数相同，

A1输入线圈314、B1输入线圈315和C1输入线圈316的匝数均为n₁，

A2输入线圈324、B2输入线圈325和C2输入线圈326的匝数均为n₂，

A输出线圈331、B输出线圈332和C输出线圈333的匝数均为n，

匝数为n₁的输入线圈接入的电压均为U₁，匝数为n₂的输入线圈接入的电压均为U₂，

A输出线圈331的输出电压U为带有变比关系的A1输入线圈314的电压U₁和A2输入线圈324的电压U₂的矢量和，，

B输出线圈332的输出电压U为带有变比关系的B1输入线圈315的电压U₁和B2输入线圈325的电压U₂的矢量和，，

C输出线圈333的输出电压U为带有变比关系的C1输入线圈316的电压U₁和C2输入线圈326的电压U₂的矢量和，。

工作方式及其用途：双输入交流变压器有两个变压器的铁芯和输入线圈，输出线圈同时耦合了这两台变压器的两个输入线圈，其输出电压为两个输入电压的矢量和。

本发明的第一种用途：可用于提高供电可靠性，两个输入线圈3，4的匝数相等，既n₁=n₂，对应一个输出线圈5的两个输入电源不能同相，相位角应为120°，对于三相双输入交流变压器，还要保证两个输入、一个输出的相序相同。变压器工作时不能出现任何一个输入开路的情况，需要在两个输入端接入电容器C等元器件。只要两个交流输入不同时停电，交流输出就不会停电，而且保持输出电压幅值相同。

如两个输入电源电压一致，则单相双输入交流变压器两个输入线圈匝数相同，否则需要调整匝数比，使在变压器空载时任一输入电源供电时，输出电压幅值相同。

单相双输入交流变压器的实际接线案例如图4所示。第一输入线圈3，其输入电压为U1，假设接入的是三相电源的a相，即Ua，它在输出线圈5感应出的电压为U1′，即Ua′；第二输入线圈4，其输入电压为U2，其接入的电源不能与U1同相，假设接入的是三相电源的b相，即Ub，它在输出线圈5感应出的电压为U2′，即Ub′；输出线圈5的电压U= U1′+ U2′，在此案例中U= Ua′+ Ub′=- Uc′。

图5为单相双输入交流变压器工作时的电压矢量图，它表述了此案例中U、 U1′、U2′、 Ua′、 Ub′及 Uc′之间的相位及大小关系，一个重点是它们大小均相等。当两个输入电源中的一个停电，在此案例中假设为U2，即U2=0，那么输出U= Ua′，也就是说单相双输入交流变压器两个输入电源中的一个停电，输出电压幅值不变，有一个相位变化的过渡过程。

在这个过渡过程中，输出电压U将沿着图5中线段L1（Ub′）箭头的反方向移动，也就是U2′（Ub′）逐渐变小直至为0，输出电压U由- Uc′变为Ua′。在此过渡过程中，输出电压U的幅值最小不低于86.7%，这个数值高于在验算大型电动机起动时冲击电流下系统残余电压允许值85%。

单相双输入交流变压器工作时，尤其是输出带负荷时，不允许出现输入开路的情况，如果出现这种情况，在开路的输入端可能产生危险的高压，而输出电压将不能保证。为了防止这种情况的出现，本案例中在两个输入端接入了一定容量的电容6。

三相双输入交流变压器与单相双输入交流变压器结构类似，只是相数由单相变为三相，可以理解为是由三个单相双输入交流变压器构成。

三相双输入交流变压器的结构图及符号图如图6所示。三相双输入交流变压器的铁芯由两套三相三柱式变压器的铁芯组成，第一套铁芯的三个柱分别为311、312和313，第二套铁芯的三个柱分别为321、322和323。第一套铁芯的三个输入线圈分别为314、315和316，第二套铁芯的三个输入线圈分别为324、325和326，如两个输入电源电压一致，则三相双输入交流变压器两个输入线圈匝数相同，否则需要调整匝数比，使在变压器空载时任一输入电源供电时，输出电压幅值相同。三个输出线圈分别是331、332和333。

三相双输入交流变压器有两个三相变压器的铁芯和输入线圈，输出线圈分相同时耦合了这两台变压器的两个单相输入线圈。则其每一相输出电压U为带有变比关系的两个输入电压的矢量和，既。

在本案例中三相双输入交流变压器第一套输入线圈接入电压相别为U1a、U1b和U1c，第二套输入线圈接入电压相别为U1b、U1c和U1a，输出电压的相别为U1c、U1a和U1b。两个输入和一个输出的相序相同，可以保证在一个电源停电时所带的电动机M负荷不会反转。

如同单相双输入交流变压器工作时不允许输入开路一样，三相双输入交流变压器工作时，尤其是输出带负荷时，不允许出现输入开路的情况，如果出现这种情况，在开路的输入端可能产生危险的高压，而输出电压将不能保证。为了防止这种情况的出现，可以在两个输入端接入了一定容量的三相电容器。

本发明的第二种用途：可用于大容量电动机调速，输出接电动机M；两个输入线圈的其中一个接普通交流电源，称之为工频线圈；其中另一个输入线圈接变频电源，称之为变频线圈。可以使用低压小容量变频器VFD控制高压大容量电动机M的转速，作用是可以大大减小电动机M对应的变频器VFD功率。

三相双输入交流变压器有两个三相变压器的铁芯和输入线圈，输出线圈同时耦合了这两台变压器的两个输入线圈，其输出电压为两个输入电压的矢量和。则其输出电压U为带有变比关系的两个输入电压的矢量和，既。

正弦交流电压的瞬时值U=Um Sin（ωt+а）

ω=2πf

U=Um Sin（2πf t+а）

U：交流电压瞬时值

Um：交流电压最大值

ω：角频率

а：初相位

f：频率

如果电动机M需要的交流电压为U=Um Sin（2πf t+а）

输入电压是固定的U₁=Um₁ Sin（2πf₁ t+а₁）

故变频器VFD的输出电压应该为

变频器VFD需要采集工频电源U₁的电压、频率及相位，输入电动机M需要的电压及频率U，根据上式即可确定变频器VFD应该输出的电压波形U₂。

三相双输入交流变压器的实际接线案例如图8所示。第一输入线圈，其输入电压为U₁，接入的是三相工频电源。第二输入线圈，其接入变频器VFD电源U₂，在变频器VFD和第二输入线圈之间需要接入正弦波滤波器7。输出线圈感应出的电压为U，根据以上描述，输出电压U是一个可以根据需要控制其电压、频率及其初相位的变频输出，可以对电动机M进行调速。

本发明的第三种用途：可用于大容量电动机软起动，输出接电动机M；两个输入线圈的其中一个接普通交流电源，称之为起动线圈；其中另一个输入线圈不接电源，只接入电阻、电抗或电容等阻抗元件，称之为分压线圈，当接入电阻或者电抗时构成降软起动，当接入电容时构成降压补偿软起动；起动完成后分压线圈进行短接。双输入交流变压器软起动的实际接线案例如图9所示。第一输入线圈，其输入电压为U₁

；第二输入线圈，其电压U₂为输出线圈感应至第二输入线圈上的电流在电容器C上所形成的，方向与U₁相反；输出线圈的电压，

在电动机M起动时，由于起动电流较大，在第二输入线圈中感应的电流较大，电流在第二输入线圈上接入的电阻、电抗或者电容上形成的电压较大，这一电压与第一输入线圈上的电压相位相反，故加在电动机M上的电压起到了降压的作用。如果第二输入线圈中接入的是电容器C，电容器C还会对电动机M输出无功电流，帮助电动机M的起动，形成降压补偿软起动。当起动结束后需要将电阻短接，消除损耗，而电容器C可以不短接，持续提供较小的容性电流，有利于节能。如果此双输入交流变压器的第一输入线圈与输出线圈的变比一致，既n=n₁，那么起动结束后可以将双输入交流变压器退出以减少损耗。

Claims (2)

1.双输入交流变压器，其特征在于它包括一对互相平行设置的变压器铁芯(1)及其设置在一对变压器铁芯(1)上的单相输入输出装置或三相输入输出装置；单相输入输出装置包括第一输入线圈(3)、第二输入线圈(4)和输出线圈(5)，第一输入线圈(3)和第二输入线圈(4)分别缠绕在一对变压器铁芯(1)的绕线柱上，输出线圈(5)缠绕在第一输入线圈(3)和第二输入线圈(4)上，输出线圈(5)通过一对变压器铁芯(1)与第一输入线圈(3)、第二输入线圈(4)进行电磁耦合，第一输入线圈(3)和第二输入线圈(4)的匝数分别为n₁和n₂，输出线圈(5)的输出匝数为n，第一输入线圈(3)的接入电压为U₁，第二输入线圈(4)的线圈接入电压为U₂，输出线圈(5)的输出电压U为带有变比关系的第一输入线圈(3)的电压U₁和第二输入线圈(4)的电压U₂的矢量和，。

2.根据权利要求1所述的双输入交流变压器，其特征在于三相输入输出装置包括在一对变压器铁芯(1)上的第一变压器铁芯(8)内设有的A1绕线柱(311)、B1绕线柱(312)和C1绕线柱(313)以及在一对变压器铁芯(1)的第二变压器铁芯(9)内设有的A2绕线柱(321)、B2绕线柱(322)和C2绕线柱(323)，

A1绕线柱(311)上缠绕有A1输入线圈(314)，B1绕线柱(312)上缠绕有B1输入线圈(315)，C1绕线柱(313)上缠绕有C1输入线圈(316)，A1输入线圈(314)、B1输入线圈(315)和C1输入线圈(316)的匝数相同，

A2绕线柱(321)上缠绕有A2输入线圈(324)，B2绕线柱(322)上缠绕有B2输入线圈(325)，C2绕线柱(323)上缠绕有C2输入线圈(326)，A2输入线圈(324)、B2输入线圈(325)和C2输入线圈(326)的匝数相同，

A输出线圈(331)缠绕在A1输入线圈(314)和A2输入线圈(324)上，B输出线圈(332)缠绕在B1输入线圈(315)和B2输入线圈(325)上，C输出线圈(333)缠绕在C1输入线圈(316)和C2输入线圈(326)上，A输出线圈(331)、B输出线圈(332)和C输出线圈(333)的匝数相同，

A1输入线圈(314)、B1输入线圈(315)和C1输入线圈(316)的匝数均为n₁，

A2输入线圈(324)、B2输入线圈(325)和C2输入线圈(326)的匝数均为n₂，

A输出线圈(331)、B输出线圈(332)和C输出线圈(333)的匝数均为n，

匝数为n₁的输入线圈接入的电压均为U₁，匝数为n₂的输入线圈接入的电压均为U₂，

A输出线圈(331)的输出电压U为带有变比关系的A1输入线圈(314)的电压U₁和A2输入线圈(324)的电压U₂的矢量和，，

B输出线圈(332)的输出电压U为带有变比关系的B1输入线圈(315)的电压U₁和B2输入线圈(325)的电压U₂的矢量和，，

C输出线圈(333)的输出电压U为带有变比关系的C1输入线圈(316)的电压U₁和C2输入线圈(326)的电压U₂的矢量和，。