CN113990637A - 一种双频用变压器及牵引供电系统 - Google Patents

一种双频用变压器及牵引供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双频用变压器，包括：原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3，其中，原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的上同名端分别与并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的一端连接；还包括次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc，其中，次边绕组Rb_1的下同名端与并联开关Kc_1的一端连接；原边绕组RA_1的上同名端和原边绕组RA_3的下同名端作为所述双频用变压器的输入端；次边绕组Rb_1的上同名端和次边绕组Rc的下同名端作为所述双频用变压器的输出端。本发明可以减少设备数量投入，并且在牵引网给不同频率供电制式机车供电时，不用在多个供电来源之间切换，可以减少进线冗余，节省建设成本，简化系统结构。

Description

一种双频用变压器及牵引供电系统
技术领域
本发明涉及电气化铁路与城市轨道牵引供电变压器技术，具体涉及一种双频用变压器及牵引供电系统。
背景技术
全球各国铁路牵引网供电有多种制式，我国大铁普遍采用单向工频25kV供电制式，日本牵引供电电压有20/25kV，50/60Hz两种制式，德国采用15kV，16.7Hz供电制式。各种供电制式下，对应的车辆交流传动系统设计有差异。当前我国电力机车研制能力正在突飞猛进的发展，标准动车组，复兴高铁等列车技术水平已经达到国际先进水平，我国自主研制的机车在满足国内铁路发展需求的同时，也逐步向国外推动出口。
由于我国大电网和大铁牵引网都采用50Hz供电频率，目标出口到西欧德国、瑞士等国采用15kV，16.7Hz牵引供电制式的机车，在国内缺乏直接试验环境。因此，往往有必要建设一个试验环境，既满足国内机车试验要求，同时也能满足出口车型试验需求。
目前，需要试验低频机车的试验平台的牵引供电拓扑一般采用电力电子变流设备将三相工频电变流为16.7Hz频率交流电，再经适用于16.7Hz的变压器输出给试验牵引网供电，而工频机车试验时，牵引网的供电进线需要切换至适用于工频的变压器输出端，这样的试验环境，不仅设备投入多，占地空间大，浪费资源和投资，而且造成进线冗余。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一方面在于提供一种双频用变压器，在需要向不同频率供电制式机车供电的牵引供电环境中，使用该双频用变压器，可以减少设备数量投入，并且在牵引网给不同频率供电制式机车供电时，不用在多个供电来源之间切换，可以减少进线冗余，节省建设成本，简化系统结构。本发明通过以下技术手段实现：
一种双频用变压器，包括：
原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3，其中，原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的上同名端分别与并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的一端连接，并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的另一端同时与原边绕组RA_1的上同名端连接；原边绕组RA_1和原边绕组RA_2下同名端分别与并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的一端连接，并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的另一端同时与原边绕组RA_3下同名端连接；原边三个绕组RA_1的下同名端通过串联开关Kb_1与原边绕组RA_2的上同名端连接，原边绕组RA_2的下同名端通过串联开关Kb_2与原边绕组RA_1的上同名端连接；
次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc，其中，次边绕组Rb_1的下同名端与并联开关Kc_1的一端连接，并联开关Kc_1的另一端与次边绕组Rb_2的下同名端连接，次边绕组Rb_2的下同名端还与次边绕组Rc的上同名端连接；次边绕组Rb_1的下同名端通过串联开关Kd与次边绕组Rb_2的上同名端连接，次边绕组Rb_2的上同名端还通过并联开关Kc_2与次边绕组Rb_1的上同名端连接；
其中，原边绕组RA_1的上同名端和原边绕组RA_3的下同名端作为所述双频用变压器的输入端；次边绕组Rb_1的上同名端和次边绕组Rc的下同名端作为所述双频用变压器的输出端。
进一步地，所述双频用变压器包括两种工作模式：
工作模式一：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2闭合，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd断开，所述双频用变压器的额定输入频率为第一预设值；
工作模式二：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2断开，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd闭合，所述双频用变压器的额定输入频率为第二预设值。
进一步地，所述第一预设值为所述第二预设值的三倍，所述原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的匝比关系为1:1:1。
进一步地，当所述双频用变压器处于工作模式一，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U11，输出电压有效值为U12，当所述双频用变压器处于工作模式二，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U21,输出电压有效值为U22，其中，U11＝U21。
进一步地，当所述双频用变压器处于工作模式一，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ1，当所述双频用变压器处于工作模式二，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ2,其中，Φ1＝Φ2。
进一步地，所述第一预设值为50Hz，所述第二预设值为(50/3)Hz，次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc的匝比关系为1.75:1.75:1，U12＝27.5kV,U22＝15kV。
进一步地，所有并联开关和所有串联开关分别是断路器、接触器或电气断点中的一种；当开关为电气断点时，通过手动连接电缆或铜排的方式改变断点的联通和分断状态。
本发明的第二方面在于提供牵引供电系统，包括上述双频用变压器T。
进一步地，还包括牵引变压器TT和变流器ADA，其中，牵引变压器TT的原边作为所述牵引供电系统的输入端，所述牵引变压器TT的次边与所述变流器ADA的输入端连接，所述变流器ADA的输出端与所述双频用变压器T的输入端连接，所述双频用变压器T的输出端作为所述牵引供电系统的输出端。
进一步地，所述牵引变压器TT为Scott变压器，所述变流器ADA包括第一变流器ADA1和第二变流器ADA2，所述双频用变压器T包括第一双频用变压器T1和第二双频用变压器T2，所述Scott变压器的M座通过所述第一变流器ADA1与所述第一双频用变压器T1的输入端连接，所述Scott变压器的T座通过所述第二变流器ADA2与所述第二双频用变压器T2的输入端连接，所述第一双频用变压器T1的输出端和所述第二双频用变压器T2的输出端均作为所述牵引供电系统的输出端。
进一步地，所述牵引变压器TT为三相牵引变压器，所述三相牵引变压器的原边为Y型连接，次边为△连接，所述变流器ADA为三相转单相变流器。
本发明提供的双频用变压器T，在需要向不同频率供电制式机车供电的牵引供电环境中，使用该双频用变压器T，可以减少设备数量投入，并且在牵引网给不同频率供电制式机车供电时，不用在多个供电来源之间切换，可以减少进线冗余，节省建设成本，简化系统结构。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的一种双频用变压器结构示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的一种牵引供电系统结构示意图。
图3为根据一示例性实施例示出的有一种牵引供电系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种双频用变压器，包括：
原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3，其中，原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的上同名端分别与并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的一端连接，并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的另一端同时与原边绕组RA_1的上同名端连接；原边绕组RA_1和原边绕组RA_2下同名端分别与并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的一端连接，并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的另一端同时与原边绕组RA_3下同名端连接；原边三个绕组RA_1的下同名端通过串联开关Kb_1与原边绕组RA_2的上同名端连接，原边绕组RA_2的下同名端通过串联开关Kb_2与原边绕组RA_1的上同名端连接；
次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc，其中，次边绕组Rb_1的下同名端与并联开关Kc_1的一端连接，并联开关Kc_1的另一端与次边绕组Rb_2的下同名端连接，次边绕组Rb_2的下同名端还与次边绕组Rc的上同名端连接；次边绕组Rb_1的下同名端通过串联开关Kd与次边绕组Rb_2的上同名端连接，次边绕组Rb_2的上同名端还通过并联开关Kc_2与次边绕组Rb_1的上同名端连接；
其中，原边绕组RA_1的上同名端和原边绕组RA_3的下同名端作为所述双频用变压器的输入端；次边绕组Rb_1的上同名端和次边绕组Rc的下同名端作为所述双频用变压器的输出端。
作为优选，本实施例中的双频用变压器包括两种工作模式：
工作模式一：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2闭合，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd断开，所述双频用变压器的额定输入频率为第一预设值；
工作模式二：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2断开，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd闭合，所述双频用变压器的额定输入频率为第二预设值。
作为优选，当所述第一预设值为所述第二预设值的三倍，所述原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的匝比关系为1:1:1。
作为优选，所述第一预设值为所述第二预设值的三倍，当所述双频用变压器的额定输入频率为第一预设值时，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U11，输出电压有效值为U12，当所述双频用变压器的额定输入频率为第二预设值时，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U21,输出电压有效值为U22，其中，U11＝U21。
作为优选，当所述双频用变压器的额定输入频率为第一预设值时，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ1，当所述双频用变压器的额定输入频率为第二预设值时，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ2,其中，Φ1＝Φ2
作为优选，所述第一预设值为50Hz，所述第二预设值为(50/3)Hz，次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc的匝比关系为1.75:1.75:1，U12＝27.5kV,U22＝15kV。
作为优选，所有并联开关和所有串联开关分别是断路器、接触器或电气断点中的一种；当开关为电气断点时，通过手动连接电缆或铜排的方式改变断点的联通和分断状态。
本实施例提供的双频用变压器T，通过改变双频用变压器T原边绕组和次边绕组的串并联关系，可以使得双频用变压器T适用于不同的额定输入频率，在需要向不同频率供电制式机车供电的牵引供电环境中，使用该双频用变压器T，可以减少设备数量投入，并且在牵引网需要给不同频率供电制式机车供电时，不用在多个供电来源之间切换，可以减少进线冗余，节省建设成本，简化系统结构。
具体地，以双频用变压器T在工作模式一时、第一预设值为50Hz和在工作模式二时、第二预设值为16.7Hz((50/3)Hz)，且双频用变压器T原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的匝比关系为1:1:1，次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc的匝比关系为1.75:1.75:1为例，阐述本实施例提供的双频用变压器T的工作原理：通过改变双频用变压器T原边和次边绕组的串并联关系，使得该双频用变压器T既能接受50Hz的电压输入(工作模式一)，又能接受16.7Hz的电压输入(工作模式二)，同时，令双频用变压器T在工作模式一时原边电压有效值与在工作模式一时原边电压有效值相同，这种情况下，双频用变压器T在工作模式一下的铁芯磁通和在工作模式二下的铁芯磁通相等，可以使得双频用变压器T在工作模式一时输出50Hz，27.5kV单相交流电以及在工作模式二时输出16.7Hz，15kV单相交流电，实现为不同频率供电制式机车供电的技术目标。
实施例2
本实施例提供一种牵引供电系统，包括实施例1提供的双频用变压器T。
具体地，本实施例还包括牵引变压器TT和变流器ADA，其中，牵引变压器TT的原边作为所述牵引供电系统的输入端，所述牵引变压器TT的次边与所述变流器ADA的输入端连接，所述变流器ADA的输出端与所述双频用变压器T的输入端连接，所述双频用变压器T的输出端作为所述牵引供电系统的输出端。
作为优选，如图2所示，本实施例中，所述牵引变压器TT为Scott变压器，所述变流器ADA包括第一变流器ADA1和第二变流器ADA2，所述双频用变压器T包括第一双频用变压器T1和第二双频用变压器T2，所述Scott变压器的M座通过所述第一变流器ADA1与所述第一双频用变压器T1的输入端连接，所述Scott变压器的T座通过所述第二变流器ADA2与所述第二双频用变压器T2的输入端连接，所述第一双频用变压器T1的输出端和所述第二双频用变压器T2的输出端均作为所述牵引供电系统的输出端。
具体实施本实施例时，所述Scott变压器的输入端通过开关KH连接至三相电网Grid，所述Scott变压器的的M座通过开关KS1与所述第一变流器ADA1的输入端连接，所述第一变流器ADA1的输出端与所述第一双频用变压器T1的输入端连接，所述第一双频用变压器T1的输出端的一端接地，另一端通过开关KL1连接至牵引网；所述Scott变压器的T座通过开关KS2与所述第二变流器ADA2的输入端连接，所述第一变流器ADA2的输出端与所述第二双频用变压器T2的输入端连接，所述第二双频用变压器T2的输出端的一端接地，另一端通过开关KL2连接至牵引网。
作为另一种优选，如图3所示，本实施例中，所述牵引变压器TT为三相牵引变压器，所述三相牵引变压器TT的原边为Y型连接，次边为△连接，所述变流器ADA为三相转单相变流器。
具体实施本实施例时，所述牵引变压器TT的输入端通过开关KH连接至三相电网Grid，所述牵引变压器TT的输出端通过开关KS与所述变流器ADA的输入端连接，所述变流器ADA的输出端与所述双频用变压器T的输入端连接，所述双频用变压器T的输出端的一端接地，另一端通过开关KL连接至牵引网。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种双频用变压器，其特征在于，包括：
原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3，其中，原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的上同名端分别与并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的一端连接，并联开关Ka_1和并联开关Ka_2的另一端同时与原边绕组RA_1的上同名端连接；原边绕组RA_1和原边绕组RA_2下同名端分别与并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的一端连接，并联开关Ka_3和并联开关Ka_4的另一端同时与原边绕组RA_3下同名端连接；原边三个绕组RA_1的下同名端通过串联开关Kb_1与原边绕组RA_2的上同名端连接，原边绕组RA_2的下同名端通过串联开关Kb_2与原边绕组RA_1的上同名端连接；
次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc，其中，次边绕组Rb_1的下同名端与并联开关Kc_1的一端连接，并联开关Kc_1的另一端与次边绕组Rb_2的下同名端连接，次边绕组Rb_2的下同名端还与次边绕组Rc的上同名端连接；次边绕组Rb_1的下同名端通过串联开关Kd与次边绕组Rb_2的上同名端连接，次边绕组Rb_2的上同名端还通过并联开关Kc_2与次边绕组Rb_1的上同名端连接；
其中，原边绕组RA_1的上同名端和原边绕组RA_3的下同名端作为所述双频用变压器的输入端；次边绕组Rb_1的上同名端和次边绕组Rc的下同名端作为所述双频用变压器的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种双频用变压器，其特征在于，所述双频用变压器包括两种工作模式：
工作模式一：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2闭合，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd断开，所述双频用变压器的额定输入频率为第一预设值；
工作模式二：并联开关Ka_1、并联开关Ka_2、并联开关Ka_3、并联开关Ka_4、并联开关Kc_1和并联开关Kc_2断开，且串联开关Kb_1、串联开关Kb_2和串联开关Kd闭合，所述双频用变压器的额定输入频率为第二预设值。
3.根据权利要求2所述的一种双频用变压器，其特征在于，所述第一预设值为所述第二预设值的三倍，所述原边绕组RA_1、原边绕组RA_2和原边绕组RA_3的匝比关系为1:1:1。
4.根据权利要求3所述的一种双频用变压器，其特征在于，当所述双频用变压器处于工作模式一，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U11，输出电压有效值为U12，当所述双频用变压器处于工作模式二，所述双频用变压器的额定输入电压有效值为U21,输出电压有效值为U22，其中，U11＝U21。
5.根据权利要求4所述一种双频用变压器，其特征在于，当所述双频用变压器处于工作模式一，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ1，当所述双频用变压器处于工作模式二，所述双频用变压器的铁芯磁通为Φ2,其中，Φ1＝Φ2。
6.根据权利要求5所述的一种双频用变压器，其特征在于，所述第一预设值为50Hz，所述第二预设值为(50/3)Hz，次边绕组Rb_1、次边绕组Rb_2和次边绕组Rc的匝比关系为1.75:1.75:1，U12＝27.5kV,U22＝15kV。
7.根据权利要求1所述的样子双频用变压器，其特征在于，所有并联开关和所有串联开关分别是断路器、接触器或电气断点中的一种；当开关为电气断点时，通过手动连接电缆或铜排的方式改变断点的联通和分断状态。
8.牵引供电系统，其特征在于，包括权利要求1—7任意一项所述的双频用变压器T。
9.根据权利要求8所述的牵引供电系统，其特征在于，还包括牵引变压器TT和变流器ADA，其中，牵引变压器TT的原边作为所述牵引供电系统的输入端，所述牵引变压器TT的次边与所述变流器ADA的输入端连接，所述变流器ADA的输出端与所述双频用变压器T的输入端连接，所述双频用变压器T的输出端作为所述牵引供电系统的输出端。
10.根据权利要求9所述的牵引供电系统，其特征在于，所述牵引变压器TT为Scott变压器，所述变流器ADA包括第一变流器ADA1和第二变流器ADA2，所述双频用变压器T包括第一双频用变压器T1和第二双频用变压器T2，所述Scott变压器的M座通过所述第一变流器ADA1与所述第一双频用变压器T1的输入端连接，所述Scott变压器的T座通过所述第二变流器ADA2与所述第二双频用变压器T2的输入端连接，所述第一双频用变压器T1的输出端和所述第二双频用变压器T2的输出端均作为所述牵引供电系统的输出端。
11.根据权利要求9所述的牵引供电系统，其特征在于，所述牵引变压器TT为三相牵引变压器，所述三相牵引变压器的原边为Y型连接，次边为△连接，所述变流器ADA为三相转单相变流器。
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CN110165906A (zh) * 2019-06-18 2019-08-23 西南交通大学 一种电力电子变压器

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