CN110571021A - 双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器 - Google Patents

双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，双桥绕组采用轴向双分裂双桥四绕组结构，各相绕组嵌套在三根依次相间隔的共轭铁芯上；绕组包括三套原边上桥绕组、三套原边下桥绕组、三套副边上桥三角形绕组、三套副边下桥星型绕组、三套副边上桥延边绕组、三套副边下桥延边绕组、三套副边上桥公共边绕组、三套副边下桥公共边绕组。本发明显著减少变压器体积、降低变压器制造成本、简化变压器制造工艺、改善整流系统电能质量等技术特点；可以实现原边单相绕组对每套副边单相绕组短路阻抗完全一致，原边三相绕组对每套副边三相绕组短路阻抗完全一致，有效降低变压器副边绕组间循环电流，防止副边绕组发生局部绕组过热现象。

Description

双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器
技术领域
本发明涉及变压器及电磁技术领域，具体涉及一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器,用于电力推进系统中。
背景技术
受益于有操作灵活、噪声干扰小的特点及生态环境保护要求的提高，直流电力推进系统在船舶电力推进系统、城市轨道交通牵引供电系统等的应用比例持续提高。在综合直流电力推进系统中，整流变压器配合整流装置构建整流供电系统，将高压侧发电机产生的交流电转化为直流电，为直流电力推进系统提供电能。但受迫于空间狭窄的应用环境及近似于电力微网结构的综合电力系统，整流供电系统的应用体积大小及电能质量需求标准也相应提高。但另一方面，直流电力推进系统及其它非线性电力设备造成的谐波污染问题不仅导致整流供电系统的的供电品质下降，甚至会严重影响整个综合电力系统的电能质量。考虑到传统的滤波装置体积庞大，已不适于直流电力推进系统中，因此现有的直流电力推进系统往往依靠其固有的整流变压器构建多脉波整流电路，凭借整流供电系统其电路自身优势优化电能质量。
现有的整流供电系统通常采用24脉波整流电路，由2台12脉波变流变压器联结构成虚拟24脉波变流变压器或者传统的单台24脉波整流变压器作为整流变压器。前者往往体积庞大，且两台变压器间的必要绝缘距离将进一步增大供电系统的占地面积，增大系统成本。同时两台变压器因固有绕组配置及工艺造成的匝数误差导致系统实际滤波性能难以达到预期要求。另一方面，传统的单台24脉波整流变压器往往采用原边三角形连接或星型连接绕组，副边采用4组延边三角形绕组，其体积及成本可以大大降低，通过有效的绕组布置及参数设置，可以保证原边单相绕组对副边单相绕组短路阻抗完全一致。但在实际运行过程中，其三相绕组连接后，变压器各原边三相绕组对副边三相绕组短路阻抗出现一定的偏差，在副边绕组中形成循环电流，增大系统运行损耗，影响系统运行效率。目前单台24脉波整流变压器正逐渐取代虚拟24脉波变流变压器成为用于直流电力推进系统的整流供电系统的首要选择，但此变压器三相短路阻抗不平衡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有单台24脉波整流变压器原副边三相绕组短路阻抗不平衡问题，提供一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，包括三套原边上桥绕组、三套原边下桥绕组、三套副边上桥三角形绕组、三套副边下桥星型绕组、三套副边上桥延边绕组、三套副边下桥延边绕组、三套副边上桥公共边绕组、三套副边下桥公共边绕组和一套共轭铁芯；所述共轭铁芯包括三根依次相间隔的立式铁心柱、与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱上方的上铁轭和与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱下方的下铁轭；
所述原边上桥绕组和原边下桥绕组构成该整流变压器的原边绕组组件；所述副边上桥三角形绕组、副边下桥星型绕组、副边上桥延边绕组、副边下桥延边绕组、副边上桥公共边绕组和副边下桥公共边绕组构成该整流变压器的副边绕组组件；所述副边上桥延边绕组和副边上桥公共边绕组构成上桥延边三角形绕组组件；所述副边下桥延边绕组和副边下桥公共边绕组构成下桥延边三角形绕组组件；
所述副边上桥延边绕组、副边上桥公共边绕组、原边上桥绕组、副边上桥三角形绕组依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱的周围且位于立式铁心柱的上桥位；所述副边下桥延边绕组、副边下桥公共边绕组、原边下桥绕组、副边下桥三角形绕组依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱的周围且位于立式铁心柱的下桥位；
所述原边上桥绕组的各相的首端一一对应地与原边下桥绕组的各相的首端连接；
所述副边上桥延边绕组的各相的尾端一一对应地与副边上桥公共边绕组的各相的首端连接；所述副边下桥延边绕组的各相的尾端一一对应地与副边下桥公共边绕组的各相的首端连接。
进一步地，所述的三套原边上桥绕组和三套原边下桥绕组采用三角形连接方式；所述三套副边上桥三角形绕组采用三角形连接方式；所述三套副边下桥星型绕组采用星型连接方式；所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式；三套副边上桥三角形绕组的输出电压相位角、三套副边下桥星型绕组的输出电压相位角、三套上桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角、三套下桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角分别对应为移相0°、+30°、+45°、+15°。
进一步地，所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式，其延边三角形结构移相角为+45°，且其中公共边三套绕组采用逆向连接方式，即U相公共边绕组的首端连接至V相公共边绕组的尾端，V相公共边绕组的首端连接至W相公共边绕组的尾端，W相公共边绕组的首端连接至U相公共边绕组的尾端；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式，其延边三角形结构移相角为+15°，且其中公共边三套绕组采用正向连接方式，即U相公共边绕组的尾端连接至V相公共边绕组的首端，V相公共边绕组的尾端连接至W相公共边绕组的首端，W相公共边绕组的尾端连接至U相公共边绕组的首端。
进一步地，所述原边上桥绕组和原边下桥绕组匝数和轴向高度相同；所述副边上桥三角形绕组和副边下桥星型绕组匝数比为1，轴向高度相同；所述副边上桥延边绕组和副边下桥延边绕组匝数和轴向高度相同；所述副边上桥公共边绕组和副边下桥公共边绕组匝数和轴向高度相同。
进一步地，所述原边上桥绕组与铁芯中心距和和副边下桥延边绕组与铁芯中心距相同；副边上桥延边绕组与副边上桥公共边绕组间气隙长度和原边下桥绕组与副边下桥公共边绕组间气隙长度相同；副边上桥公共边绕组与原边上桥绕组间气隙长度和副边下桥公共边绕组与原边下桥绕组间气隙长度相同；原边上桥绕组与副边上桥三角形绕组间气隙长度和原边下桥绕组与副边下桥星型绕组间气隙长度相同。
进一步地，所述整流变压器各绕组间采用多个紧固块保证气隙间距。
进一步地，所述原边绕组组件和副边绕组组件线圈材料采用铝箔，其绕组内外层铺设玻璃纤维，采用环氧树脂浇注，同时在线圈内设置轴向气道，其端部采用环氧树脂浇注。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
在原有单机24脉波整流变压器的基础上，仅需对绕组排布及结构进行调整，即可彻底实现原边单相绕组对每套副边单相绕组短路阻抗完全一致，原边三相绕组对每套副边三相绕组短路阻抗完全一致，有效降低变压器副边绕组间循环电流，防止副边绕组发生局部绕组过热现象，同时降低振动和噪音等不良影响，延长单机24脉波整流变压器使用寿命；可以消除原边谐波电流、降低系统损耗、提高系统效率，进一步提高变压器安全性及稳定性。
本发明可以保持原有单体24脉波整流变压器高度磁集成的结构，同时具有消除船舶综合电力系统谐波电流、减小直流母线电压脉动、平衡变压器三相短路阻抗、抑制变压器副边/变流器间循环电流、提高系统效率等的技术特点，同时对单体24脉波整流变压器本身而言，本发明可以消除变压器内某相绕组产生发热、振动和噪音等不良影响，延长变压器使用寿命。
此外与原有的虚拟24脉波变流变压器相比，提出的单机24脉波干式牵引整流变压器的双桥绕组镜像排布方法大大降低了变压器的占地面积、制造成本，可以完整的节约一整套铁心设备。与现有的五绕组单机24脉波整流变压器相比，提出的双桥绕组镜像排布方法仅需要四绕组即可实现原有功能，可以进一步节约变压器制造成本。同时将上、下桥延边绕组及公共边绕组相邻排布，绕组绕线时无需更换导体规格，可节约一套制造模具，简化工业制造流程及成本。绕组采用环氧树脂真空浇注而成，具有实用节能、操作简单、机械强度高和电绝缘性强的优点，其半封闭式的配料工艺可以有效改善生产环境和降低劳动强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的单相结构示意图；
图2为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的接线原理图；
图3为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的上桥绕组的俯视结构示意图；
图4为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的下桥绕组的俯视结构示意图；
图5为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的三套上桥延边三角形绕组组件采用的延边三角形连接方式示意图；
图6为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的三套下桥延边三角形绕组组件采用的延边三角形连接方式示意图；
图7为本发明的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器的绕组俯视图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-7所示，本发明提供一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，适用于直流供电系统中绕组数量较多、高度磁集成、轴向双分裂双桥结构排布的单机24脉波整流变压器绕组优化设计中。包括三套原边上桥绕组1、三套原边下桥绕组2、三套副边上桥三角形绕组3、三套副边下桥星型绕组4、三套副边上桥延边绕组5、三套副边下桥延边绕组6、三套副边上桥公共边绕组7、三套副边下桥公共边绕组8和一套共轭铁芯9；所述共轭铁芯包括三根依次相间隔的立式铁心柱、与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱上方的上铁轭和与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱下方的下铁轭；
所述原边上桥绕组1和原边下桥绕组2构成该整流变压器的原边绕组组件；所述副边上桥三角形绕组3、副边下桥星型绕组4、副边上桥延边绕组5、副边下桥延边绕组6、副边上桥公共边绕组7和副边下桥公共边绕组8构成该整流变压器的副边绕组组件；所述副边上桥延边绕组5和副边上桥公共边绕组7构成上桥延边三角形绕组组件；所述副边下桥延边绕组6和副边下桥公共边绕组8构成下桥延边三角形绕组组件；
所述副边上桥延边绕组5、副边上桥公共边绕组7、原边上桥绕组1、副边上桥三角形绕组3依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱16的周围且位于立式铁心柱16的上桥位；同时各绕组间采用多个紧固块保证气隙间距；所述副边下桥延边绕组6、副边下桥公共边绕组8、原边下桥绕组2、副边下桥三角形绕组4依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱16的周围且位于立式铁心柱16的下桥位；同时各绕组间采用多个紧固块保证气隙间距；
所述原边上桥绕组1的各相的首端一一对应地与原边下桥绕组2的各相的首端连接；
所述副边上桥延边绕组5的各相的尾端一一对应地与副边上桥公共边绕组7的各相的首端连接；所述副边下桥延边绕组6的各相的尾端一一对应地与副边下桥公共边绕组8的各相的首端连接。
具体地，所述的三套原边上桥绕组和三套原边下桥绕组采用三角形连接方式11；所述三套副边上桥三角形绕组采用三角形连接方式12；所述三套副边下桥星型绕组采用星型连接方式13；所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式14；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式15；三套副边上桥三角形绕组的输出电压相位角、三套副边下桥星型绕组的输出电压相位角、三套上桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角、三套下桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角分别对应为移相0°、+30°、+45°、+15°。
具体地，所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式14，其延边三角形结构移相角为+45°，且其中公共边三套绕组采用逆向连接方式，即U相公共边绕组的首端连接至V相公共边绕组的尾端，V相公共边绕组的首端连接至W相公共边绕组的尾端，W相公共边绕组的首端连接至U相公共边绕组的尾端；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式15，其延边三角形结构移相角为+15°，且其中公共边三套绕组采用正向连接方式，即U相公共边绕组的尾端连接至V相公共边绕组的首端，V相公共边绕组的尾端连接至W相公共边绕组的首端，W相公共边绕组的尾端连接至U相公共边绕组的首端。
具体地，所述原边上桥绕组1和原边下桥绕组2匝数和轴向高度相同；所述副边上桥三角形绕组3和副边下桥星型绕组4匝数比为1，轴向高度相同；所述副边上桥延边绕组5和副边下桥延边绕组6匝数和轴向高度相同；所述副边上桥公共边绕组7和副边下桥公共边绕组8匝数和轴向高度相同。
具体地，所述原边上桥绕组1与铁芯中心距和和副边下桥延边绕组6与铁芯中心距相同；副边上桥延边绕组5与副边上桥公共边绕组7间气隙长度和原边下桥绕组2与副边下桥公共边绕组8间气隙长度相同；副边上桥公共边绕组7与原边上桥绕组1间气隙长度和副边下桥公共边绕组8与原边下桥绕组2间气隙长度相同；原边上桥绕组1与副边上桥三角形绕组3间气隙长度和原边下桥绕组2与副边下桥星型绕组4间气隙长度相同。
具体地，所述原边绕组组件和副边绕组组件线圈材料采用铝箔，其绕组内外层铺设玻璃纤维，采用环氧树脂浇注，同时在线圈内设置轴向气道，其端部采用环氧树脂浇注。
本发明在原有单机24脉波整流变压器的基础上，仅需对绕组排布及结构进行调整，即可彻底实现原边单相绕组对每套副边单相绕组短路阻抗完全一致，原边三相绕组对每套副边三相绕组短路阻抗完全一致，有效降低变压器副边绕组间循环电流，防止副边绕组发生局部绕组过热现象，同时降低振动和噪音等不良影响，延长单机24脉波整流变压器使用寿命；可以消除原边谐波电流、降低系统损耗、提高系统效率，进一步提高变压器安全性及稳定性。
本发明可以保持原有单体24脉波整流变压器高度磁集成的结构，同时具有消除直流推进系统谐波电流、减小直流母线电压脉动、平衡变压器三相短路阻抗、抑制变压器副边/变流器间循环电流、提高系统效率等的技术特点，同时对单体24脉波整流变压器本身而言，本发明可以消除变压器内某相绕组产生发热、振动和噪音等不良影响，延长变压器使用寿命。
此外与原有的虚拟24脉波变流变压器相比，提出的单机24脉波干式牵引整流变压器的双桥绕组镜像排布方法大大降低了变压器的占地面积、制造成本，可以完整的节约一整套铁心设备。与现有的五绕组单机24脉波整流变压器相比，提出的双桥绕组镜像排布方法仅需要四绕组即可实现原有功能，可以进一步节约变压器制造成本。同时将上、下桥延边绕组及公共边绕组相邻排布，绕组绕线时无需更换导体规格，可节约一套制造模具，简化工业制造流程及成本。绕组采用环氧树脂真空浇注而成，具有实用节能、操作简单、机械强度高和电绝缘性强的优点，其半封闭式的配料工艺可以有效改善生产环境和降低劳动强度。
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本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 (7)

1.一种双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，包括三套原边上桥绕组(1)、三套原边下桥绕组(2)、三套副边上桥三角形绕组(3)、三套副边下桥星型绕组(4)、三套副边上桥延边绕组(5)、三套副边下桥延边绕组(6)、三套副边上桥公共边绕组(7)、三套副边下桥公共边绕组(8)和一套共轭铁芯(9)；所述共轭铁芯包括三根依次相间隔的立式铁心柱、与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱上方的上铁轭和与各个立式铁心柱相互垂直连接且位于各个立式铁心柱下方的下铁轭；
所述原边上桥绕组(1)和原边下桥绕组(2)构成该整流变压器的原边绕组组件；所述副边上桥三角形绕组(3)、副边下桥星型绕组(4)、副边上桥延边绕组(5)、副边下桥延边绕组(6)、副边上桥公共边绕组(7)和副边下桥公共边绕组(8)构成该整流变压器的副边绕组组件；所述副边上桥延边绕组(5)和副边上桥公共边绕组(7)构成上桥延边三角形绕组组件；所述副边下桥延边绕组(6)和副边下桥公共边绕组(8)构成下桥延边三角形绕组组件；
所述副边上桥延边绕组(5)、副边上桥公共边绕组(7)、原边上桥绕组(1)、副边上桥三角形绕组(3)依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱(16)的周围且位于立式铁心柱(16)的上桥位；所述副边下桥延边绕组(6)、副边下桥公共边绕组(8)、原边下桥绕组(2)、副边下桥三角形绕组(4)依次并一一对应地套装于一个立式铁心柱(16)的周围且位于立式铁心柱(16)的下桥位；
所述原边上桥绕组(1)的各相的首端一一对应地与原边下桥绕组(2)的各相的首端连接；
所述副边上桥延边绕组(5)的各相的尾端一一对应地与副边上桥公共边绕组(7)的各相的首端连接；所述副边下桥延边绕组(6)的各相的尾端一一对应地与副边下桥公共边绕组(8)的各相的首端连接。
2.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述的三套原边上桥绕组和三套原边下桥绕组采用三角形连接方式(11)；所述三套副边上桥三角形绕组采用三角形连接方式(12)；所述三套副边下桥星型绕组采用星型连接方式(13)；所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式(14)；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式(15)；三套副边上桥三角形绕组的输出电压相位角、三套副边下桥星型绕组的输出电压相位角、三套上桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角、三套下桥延边三角形绕组组件的输出电压相位角分别对应为移相0°、+30°、+45°、+15°。
3.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述三套上桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式(14)，其延边三角形结构移相角为+45°，且其中公共边三套绕组采用逆向连接方式，即U相公共边绕组的首端连接至V相公共边绕组的尾端，V相公共边绕组的首端连接至W相公共边绕组的尾端，W相公共边绕组的首端连接至U相公共边绕组的尾端；所述三套下桥延边三角形绕组组件采用延边三角形连接方式(15)，其延边三角形结构移相角为+15°，且其中公共边三套绕组采用正向连接方式，即U相公共边绕组的尾端连接至V相公共边绕组的首端，V相公共边绕组的尾端连接至W相公共边绕组的首端，W相公共边绕组的尾端连接至U相公共边绕组的首端。
4.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述原边上桥绕组(1)和原边下桥绕组(2)匝数和轴向高度相同；所述副边上桥三角形绕组(3)和副边下桥星型绕组(4)匝数比为轴向高度相同；所述副边上桥延边绕组(5)和副边下桥延边绕组(6)匝数和轴向高度相同；所述副边上桥公共边绕组(7)和副边下桥公共边绕组(8)匝数和轴向高度相同。
5.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述原边上桥绕组(1)与铁芯中心距和和副边下桥延边绕组(6)与铁芯中心距相同；副边上桥延边绕组(5)与副边上桥公共边绕组(7)间气隙长度和原边下桥绕组(2)与副边下桥公共边绕组(8)间气隙长度相同；副边上桥公共边绕组(7)与原边上桥绕组(1)间气隙长度和副边下桥公共边绕组(8)与原边下桥绕组(2)间气隙长度相同；原边上桥绕组(1)与副边上桥三角形绕组(3)间气隙长度和原边下桥绕组(2)与副边下桥星型绕组(4)间气隙长度相同。
6.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述整流变压器各绕组间采用多个紧固块保证气隙间距。
7.根据权利要求1所述的双桥绕组镜像排布的单机24脉波干式牵引整流变压器，其特征在于，所述原边绕组组件和副边绕组组件线圈材料采用铝箔，其绕组内外层铺设玻璃纤维，采用环氧树脂浇注，同时在线圈内设置轴向气道，其端部采用环氧树脂浇注。
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