CN113013867B - 一种三相平衡变压器及三相电源供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相平衡变压器，三相平衡变压器包括三相变压器及开关单元，所述三相变压器，用于配合不同电源供电，所述三相变压器由三个相同的单相变压器连接组成，每个所述单相变压器包括初级绕组、次级绕组及铁芯，铁芯中设有电抗器气隙；所述开关单元，用于改变三相变压器次级绕组之间的连接关系，用于改变次级绕组与电源之间的连接关系，进而切换三相变压器的工作状态，实现不同电源之间的切换，所述三相变压器的工作状态包括变压器状态与电抗器状态。本发明的三相变压器将电抗器和变压器集成一体结构，可单独作为变压器或电抗器使用。

Description

一种三相平衡变压器及三相电源供电系统

技术领域

本发明属于配电技术领域，特别涉及一种三相平衡变压器及三相电源供电系统。

背景技术

随着社会的发展，人们对供电可靠性和安全性的要求越来越高，在目前城市用电急剧增加和电力资源严重不足的客观情况下，很多场合需要用两路电源来保证供电的可靠，一路电源为供电的常用电源(也称主电源)，另一路为备用电源(也称辅助电源)，一旦主电源出现故障后，辅助电源马上工作，使负载端不致受主电源断电的影响。以维持电气设备的正常运行，而当主电源恢复正常，会将供电切换回主电源，由主电源供电。

请参照图1，目前现有技术中三相电双电源供电系统，使用常规的辅助变压器，加以监控主电源电路，辅助电源用以主电源异常时作为备用电源。主电源和负载之间加入独立的三相滤波电抗器，用以滤除主电源前端模块产生的高频谐波。辅助电源变压器前需要加软启动模块，用以防止辅助电源突然启动时产生的冲击电流。通常，还会添加断路器，保护供电系统。其中，变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置。电抗器是在电路中提供一定阻抗的装置。由于电抗器提供的阻抗，可以滤除前端传入的高频谐波，净化电源波形。电抗器结构类似变压器，但只有一个绕组。

常规状态下，主电源供电，电抗器滤波，辅助电源不工作。系统主电源意外断电后，辅助电源供电，由于辅助电源直接从电网电源取电无高频谐波，电抗器不工作。

两种运行模式下，辅助电源变压器和三相滤波电抗器，始终有一个元器件不在工作状态，不工作的元器件占用了整机空间和设计成本。

因此，如何减小供电系统中的元器件体积，降低整机占用空间是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种三相平衡变压器及三相电源供电系统，所述三相变压器将电抗器和变压器集成一体结构，可单独作为变压器或电抗器使用。变压器和电抗器共用绕组，共用磁路，减小了元器件体积和数量，降低了整机占用空间和设计成本。

一种三相平衡变压器，所述三相平衡变压器包括三相变压器及开关单元，其中，

所述三相变压器，用于配合不同电源供电，所述三相变压器由三个相同的单相变压器连接组成，每个所述单相变压器包括初级绕组、次级绕组及铁芯，所述铁芯中设有电抗器气隙；

所述开关单元，用于改变三相变压器次级绕组之间的连接关系，还用于改变次级绕组与电源之间的连接关系，进而切换三相变压器的工作状态，实现不同电源之间的切换，

所述三相变压器的工作状态包括变压器状态与电抗器状态。

优选的，所述电抗器气隙为非导磁材料气隙。

优选的，三个相同的所述单相变压器之间采用星型或三角形的方式连接。

优选的，每个所述单相变压器的次级绕组至少设有2个输出端子。

优选的，所述开关单元包括第一静态转换开关、第二静态转换开关及第三静态转换开关，其中：

所述第一静态转换开关的第一连接触点、第二静态转换开关的第一连接触点及第三静态转换开关的第一连接触点，分别用于与电源的U、V、W三相连接；

所述第一静态转换开关的第二连接触点、第二静态转换开关的第二连接触点及第三静态转换开关的第二连接触点之间通过星型或三角形的方式连接；

所述第一静态转换开关的触头、第二静态转换开关的触头及第三静态转换开关的触头分别与三个所述单相变压器的次级绕组相连。

一种三相电源供电系统，所述三相电源供电系统包括主电源、备用电源及三相平衡变压器，其中，

所述三相平衡变压器为上述所述的三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电。

优选的，所述三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电，包括：

所述三相平衡变压器配合主电源供电时，三相平衡变压器用作电抗器，与主电源连接，用于滤除谐波；

所述三相平衡变压器配合备用电源供电时，三相平衡变压器用作变压器，与备用电源连接，用于变换电压。

优选的，所述三相平衡变压器的开关单元与所述主电源相连，

所述三相平衡变压器的初级绕组与所述备用电源相连。

优选的，所述三相电源供电系统还包括常开触点，

所述常开触点，用于控制三相平衡变压器初级绕组的通断。

本发明的所述三相变压器将电抗器和变压器集成一体结构，可单独作为变压器或电抗器使用。共用电抗器绕组，减小了元器件体积和数量，降低了整机占用空间和设计成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为现有技术中的三相电源供电系统示意图；

图2为本发明所述的三相平衡变压器的示意图；

图3位本发明所述的三相电源供电系统的示意图；

其中，110-第一初级绕组、120-第一次级绕组、210-第二初级绕组、220-第二次级绕组、310-第三初级绕组、320-第三次级绕组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

请参阅图2，本实施例公开了一种三相平衡变压器，所述三相平衡变压器包括开关单元及三个完全相同的单相变压器，每个所述单相变压器包括初级绕组、次级绕组及铁芯，所述铁芯中设有电抗器气隙。所述三个完全相同的单相变压器分别为第一变压器、第二变压器、第三变压器。

其中，所述第一变压器、第二变压器及第三变压器相互连接，构成三相变压器，用于平衡供电。具体的，所述第一变压器、第二变压器及第三变压器之间采用星型或三角形的方式连接。使用三个单相结构制作三相变压器，三相磁路可单独调整气隙，达到三相电感平衡的要求，相较三相平面铁芯更方便调节。

所述开关单元，用于改变三相变压器次级绕组之间的连接关系，还用于改变次级绕组与电源之间的连接关系，进而切换三相变压器的工作状态，实现不同电源之间的切换，所述三相变压器的工作状态包括变压器状态与电抗器状态。

具体的，所述开关单元改变第一变压器、第二变压器和第三变压器的次级绕组之间的连接关系以及与电源之间的连接关系，从而改变第一变压器、第二变压器和第三变压器的工作状态，实现不同电源之间的切换。具体的，所述第一变压器、第二变压器和第三变压器的工作状态包括电抗器状态与变压器状态。

具体的，当主电源供电时，所述第一变压器、第二变压器和第三变压器的初级绕组开路，次级绕组串联在电路中，所述次级绕组和初级绕组之间无磁场耦合，设置为电抗器的次级绕组为电路提供阻抗，滤除前端传入的高频谐波，净化电源波形，实现电抗器的功能，三相变压器呈现出三相电抗器功能，滤除高压谐波，配合主电源供电；

当备用电源供电时，所述三相变压器与所述备用电源连接，其初级绕组和其相连的电源之间通路，次级绕组和其相连的负载之间通路，初级绕组和次级绕组之间磁场耦合，实现电压的变换，本实施例所述的三相变压器实现电压的变换，配合备用电源供电。

本实施例所述的变压器通过在变压器铁芯中设有电抗器气隙，由于变压器本身的电感量较高，本发明利用电抗器气隙，降低磁导率的原理，降低变压器设计电感，达到次级绕组独立作为电抗器使用的目的。变压器和电抗器共用电抗器绕组，共用磁路，将变压器与电抗器集成一体，在满足所述三相变压器作为变压器或电抗器单独使用的同时，降低了元器件的个数和占用空间，降低了其设计成本。而且，所述变压器结构集中，便于更换。

为了降低变压器通电瞬间初级绕组所受到的冲击电流，本实施例所述的电抗器气隙为非导磁材料气隙。通过在铁芯磁路中增加非导磁材料气隙，从而增加磁阻，降低磁导率，防止磁饱和，进而降低变压器初级绕组在通电的瞬间所受到的冲击电流。

根据磁路欧姆定律，变压器需要考虑磁导率降低，磁阻增加引起励磁电流增大，同时铁芯损耗增加，导致铁芯温升上升。但是从变压器角度来考虑，磁阻增加，初级漏感变大，能有效减小磁芯饱和而产生的合闸冲击电流过大，达到节省软启动成本的目的。所以综合考虑预先留好温升余量，可以节省系统整体成本。为了避免作为电抗器使用时磁饱和，需要降低变压器设计的磁通密度，增加了一部分体积和成本，但一方面增加了散热面积，帮助铁芯散热；另一方面低磁通密度的设计进一步降低磁饱和，从而达到压低合闸冲击电流的作用。

需要说明的是，由于铁芯间增加了非导磁材料气隙，铁芯的饱和磁通值下降，对于变压器设计来说需要降低使用磁通密度，来控制铁芯损耗和空载电流。由于空载电流和铁芯损耗的上升，变压器在计算温升上需要额外关注。

其中，所述第一变压器、第二变压器及第三变压器之间的连接关系如下：

所述第一变压器包括第一初级绕组110和第一次级绕组120，

所述第二变压器包括第二初级绕组210和第二次级绕组220，

所述第三变压器包括第三初级绕组310和第三次级绕组320，

所述第一初级绕组110、第二初级绕组210和第三初级绕组310之间采用星型或三角形的方式连接，形成三相变压器的初级绕组；

所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320与开关单元连接，便于开关单元调整第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320与电源之间的连接关系，使得三相平衡变压器呈现出不同的工作状态，便于配合不同的电源工作。

具体的，为了便于调整三相电抗器的电感值，所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320均至少设有2个输出端子，通过改变接入电路的输出端子，从而改变三相电抗器的电感值。其中，为了改变三相平衡变压器的工作状态，所述开关单元设有第一静态转换开关、第二静态转换开关及第三静态转换开关，其中：

所述第一静态转换开关的第一连接触点、第二静态转换开关的第一连接触点及第三静态转换开关的第一连接触点，分别用于与电源的U、V、W三相连接，

所述第一静态转换开关的第二连接触点、第二静态转换开关的第二连接触点及第三静态转换开关的第二连接触点之间通过星型或三角形的方式连接，

所述第一静态转换开关的触头、第二静态转换开关的触头及第三静态转换开关的触头分别与所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320相连。

具体的，当所述三相平衡变压器作为三相变压器使用、实现电压变换的时候，所述第一静态转换开关的触头、第二静态转换开关的触头及第三静态转换开关的触头分别连接至所述第一静态转换开关的第二连接触点、第二静态转换开关的第二连接触点及第三静态转换开关的第二连接触点，此刻，所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320之间采用通过星型或三角形的方式连接成三相平衡变压器的次级绕组，与三相平衡变压器的初级绕组之间的磁场相互耦合，实现电压变换的功能。

当所述三相平衡变压器作为三相变抗器使用、直接与电源相连，滤除高频谐波时，所述三相平衡变压器的初级绕组开路，所述第一静态转换开关的触头、第二静态转换开关的触头及第三静态转换开关的触头分别连接至所述第一静态转换开关的第一连接触点、第二静态转换开关的第一连接触点及第三静态转换开关的第一连接触点，所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320分别与所述电源的U、V、W三相相连，即：所述第一次级绕组120与所述电源的U相串联，所述第二次级绕组220与所述电源的V相串联，所述第三次级绕组320与所述电源的W相串联，所述第一次级绕组120、第二次级绕组220和第三次级绕组320构成三相变抗器，滤除高频谐波。

需要说明的是本实施例所述的三相平衡变压器具体设计方法为：先按常规变压器设计思路，预估需要铁芯尺寸。再根据电抗器设计思路，计算需要的次级匝数。根据在变压器中考虑电抗器需求匝数，来修正尺寸和磁通密度。最后综合温升、效率以及其余客户需求，就能设计出新型变压器。

请参阅图3，本实施例还公开了一种三相电源供电系统，具体的，所述三相电源供电系统包括主电源、备用电源及三相平衡变压器，其中，

所述三相平衡变压器为上述所述的三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电。

需要说明的是，本实施例所述的主电源即图3中的机柜电源，备用电源即图3中的辅助电源

具体的，所述三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电，包括：

所述三相平衡变压器配合主电源供电时，三相平衡变压器用作电抗器，与主电源连接，用于滤除谐波；

所述三相平衡变压器配合备用电源供电时，三相平衡变压器用作变压器，与备用电源连接，用于变换电压。

其中，所述三相平衡变压器的开关单元与所述主电源相连，

所述三相平衡变压器的初级绕组与所述备用电源相连。

具体的，所述第一静态转换开关的第一连接触点、第二静态转换开关的第一连接触点及第三静态转换开关的第一连接触点，分别用于与主电源的U、V、W三相连接，所述三相平衡变压器的第一初级绕组110、第二初级绕组210和第三初级绕组310分别与备用电源的U、V、W三相连接。

其中，所述三相电源供电系统还包括常开触点，所述常开触点用于控制三相平衡变压器初级绕组的通断。和现有技术相比，节省了初级软启动模块，降低了设计成本。

具体的，所述三相电源供电系统还包括断路器，用于保护电路。

常规情况下，三相平衡变压器的次级绕组串联在电路中，作为三相滤波电抗器使用，三相平衡变压器的次级绕组不通电以节省能源；系统机柜电源意外断电后，即主电源意外断电后，备用电源后的常开触点闭合，备用电源给三相平衡变压器的初级绕组供电，同时变压器次级非负载端闭合，形成星形或三角形接法中性线，此时三相平衡变压器成为三相变压器给负载继续供电。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种三相平衡变压器，其特征在于，所述三相平衡变压器包括三相变压器及开关单元，

所述三相变压器，用于配合不同电源供电，所述三相变压器由三个相同的单相变压器连接组成，每个所述单相变压器包括初级绕组、次级绕组及铁芯，所述铁芯中设有电抗器气隙；

所述开关单元，用于改变三相变压器次级绕组之间的连接关系，还用于改变次级绕组与电源之间的连接关系，进而切换三相变压器的工作状态，实现不同电源之间的切换，

所述三相变压器的工作状态包括变压器状态与电抗器状态，其中，所述开关单元包括第一静态转换开关、第二静态转换开关及第三静态转换开关，其中：

所述第一静态转换开关的第一连接触点、第二静态转换开关的第一连接触点及第三静态转换开关的第一连接触点，分别用于与电源的U、V、W三相连接；

所述第一静态转换开关的第二连接触点、第二静态转换开关的第二连接触点及第三静态转换开关的第二连接触点之间通过星型或三角形的方式连接；

所述第一静态转换开关的触头、第二静态转换开关的触头及第三静态转换开关的触头分别与三个所述单相变压器的次级绕组相连。

2.根据权利要求1所述的三相平衡变压器，其特征在于，所述电抗器气隙为非导磁材料气隙。

3.根据权利要求1所述的三相平衡变压器，其特征在于，每个所述单相变压器的次级绕组设有至少2个输出端子。

4.一种三相电源供电系统，其特征在于，所述三相电源供电系统包括主电源、备用电源及三相平衡变压器，其中，

所述三相平衡变压器为权利要求1～3任一项所述的三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电。

5.根据权利要求4所述的三相电源供电系统，其特征在于，所述三相平衡变压器，用于配合主电源/备用电源给负载供电，包括：

所述三相平衡变压器配合主电源供电时，三相平衡变压器用作电抗器，与主电源连接，用于滤除谐波；

所述三相平衡变压器配合备用电源供电时，三相平衡变压器用作变压器，与备用电源连接，用于变换电压。

6.根据权利要求4或5所述的三相电源供电系统，其特征在于，

所述三相平衡变压器的开关单元与所述主电源相连，

所述三相平衡变压器的初级绕组与所述备用电源相连。

7.根据权利要求6所述的三相电源供电系统，其特征在于，所述三相电源供电系统还包括常开触点，

所述常开触点，用于控制三相平衡变压器初级绕组的通断。