CN115910566A - 一种磁集成混合配电变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁集成混合配电变压器，包括主磁芯、辅助磁芯、高压绕组、低压绕组和辅助绕组，所述的主磁芯包括三根铁心柱，在三根铁心柱上分别设置绕组，所述的三根铁心柱纵向排列，在三根铁心柱之间设置铁轭将其固定，所述的辅助磁芯包括两个方形、矩形或圆形磁环，紧贴主磁芯的铁心柱和铁轭，所述的高压绕组与低压绕组采用层式绕组绕制在主磁芯铁心柱上，所述的辅助绕组缠绕在三根铁心柱上半部分。本发明的磁芯的尺寸及材料可以根据所需的漏感频率及漏感值确定，磁芯的磁导率远大于空气，绕组中电流产生的磁通主要通过主磁芯，而不同的磁导率可以改变主磁通与漏磁通的大小，从而增大漏感实现了漏感可调节。

Description

一种磁集成混合配电变压器

技术领域

本发明涉及电气工程磁元件技术领域，具体涉及一种磁集成混合配电变压器。

背景技术

所谓混合式配电变压器是在传统变压器的基础上，结合有源滤波器、动态电压调节器等电力电子装置接入其中而实现的一类新型可控配电变压器。混合变压器将传统的低频变压器与部分额定功率的电力电子转换器结合在一起。由于大部分电力是通过低频变压器传输的，混合变压器的概念继承了传统低频变压器高效率、高可靠性和低成本的特点。通过将传统变压器和变流器集成到一个系统中，可以降低整个系统的复杂性、成本和体积。与传统配电变压器相比，混合式配电变压器不仅具备传统配电变压器高效可靠的优点，还能大大提升传统配电变压器的可控性。

但目前关于混合式配电变压器的研究尚不完善，系统中包含的大量分立磁件不仅会导致整体铁芯的体积增大，还会使结构更为复杂。为简化配电变压器的内部结构，中国专利公开号CN107919216B，公开了一种磁集成混合式配电变压器，其结构主变压器与串联隔离变压器共用中部铁轭，实现主变压器与串联隔离变压器的弱耦合集成；一次绕组与控制绕组之间及阀侧绕组与网侧绕组之间布置漏磁铁芯，增大了对应绕组间的漏感，通过用漏感代替电感实现变压器与变流器输出连接电感的磁集成设计。然而该结构有两个缺点：使用串联隔离变压器，绕组数量较多，装置整体结构依旧比较复杂；为了实现磁集成，该结构通过在一次绕组与控制绕组之间及阀侧绕组与网侧绕组之间中布置漏磁铁芯，三相共需至少6个，分立磁元件数量依旧较多，损耗较大，磁芯体积较大；该结构中需要通过调节控制绕组和阀侧绕组中的漏磁铁芯与铁轭之间气隙调节漏感，调节方式不简便且调节范围小。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明公开一种磁集成混合配电变压器，可以根据不同需求设置磁芯尺寸及漏感值，从而构成漏感可调的磁集成混合变压器。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种磁集成混合配电变压器，如权力要求1所述包括变压器单元和变换器单元，所述变压器单元包括主磁芯、辅助磁芯、高压绕组、低压绕组和辅助绕组，所述的主磁芯包括三根铁心柱，在三根铁心柱上分别设置绕组，所述的三根铁心柱纵向排列，在三根铁心柱之间设置铁轭将其固定，所述的辅助磁芯包括两个磁环，紧贴主磁芯的铁心柱和铁轭；

所述的高压绕组与低压绕组采用层式绕组绕制在主磁芯铁心柱上，所述的辅助绕组缠绕在三根铁心柱上半部分，位于高压绕组和低压绕组的上方，穿过由铁心柱、铁轭和辅助磁芯形成的两个窗口；

所述主磁芯的高压绕组通过三角形接法接入电网；所述低压绕组分别与三相四线制负载和变换器单元每相电压输出端连接；所述辅助绕组采用三角形接法与变换器单元电流输出端相连，辅助绕组绕入辅助磁芯构成回路提升漏感，构成具有变压器漏感和变换器电感的磁集成的混合配电变压器。

所述变换器单元包括1个AC-DC变换器、1个DC-AC变换器与DC-AC变换器共用的直流母线电容和4个滤波电感和1个三相四线交流电压滤波器；所述AC-DC变换器包括3个并联的电流控制桥臂；所述DC-AC变换器包括3个并联的电压控制桥臂和1个零序控制桥臂；

所述4个滤波电感连接在所述DC-AC变换器的4个桥臂输出之后，连接在3个所述电压控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的三相电压输出端，连接在所述零序控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的零序输出端；所述三相四线交流电压滤波器并联在所述变换器单元的三相电压输出端和零序输出端之间；所述的辅助绕组与电流控制桥臂的中点相连，所述低压绕组与所述变换器单元的三相电压输出端相连，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载的中线相连。

相比于原本高压绕组、低压绕组和辅助绕组同心圆绕制的结构，本发明将辅助绕组与高压绕组、低压绕组分开，增大绕组间的距离，使高压绕组和辅助绕组通过主磁芯的耦合作用变弱，主磁芯中的磁通减少而漏磁通增大，从而增大变压器漏感。

本发明的磁芯的尺寸及材料可以根据所需的漏感频率及漏感值确定，磁芯的磁导率远大于空气，绕组中电流产生的磁通主要通过主磁芯，而不同的磁导率可以改变主磁通与漏磁通的大小，从而增大漏感实现了漏感可调节；

本发明的有益效果：

本发明的三相辅助磁芯共用材料，节约了磁芯的体积，同时辅助磁芯紧贴主磁芯，可以与主磁芯共同设计并制作固定，减小体积。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明漏感可调且结构简单的磁集成混合配电变压器电磁本体三维图。

图2是本发明漏感可调且结构简单的磁集成混合配电变压器中实施例电路各部件的电路拓扑及连接关系示意图；其中：(a)实施例电路连接示意图，(b)变换器单元，(c)与负载的连接关系。

图3是本发明漏感可调且结构简单的磁集成混合配电变压器电磁仿真结果图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，上文所述漏感可调且结构简单的磁集成混合配电变压器的变压器单元包括主磁芯、辅助磁芯、高压绕组、低压绕组和辅助绕组，所述的主磁芯包括三根铁心柱，铁心柱包括A相铁心柱4a、B相铁心柱4b和C相铁心柱4c；所述的辅助磁芯包括2个方形空心磁环，紧贴主磁芯的铁心柱和铁轭。

需要具体说明的是，所述磁环结构并不局限与方形空心，也可以是矩形和圆形等等。

每个磁环位于铁心柱正表面上方，因此辅助磁芯与铁轭、铁心柱共同形成2个窗口，而辅助磁芯的铁心柱分别为5a、5b、5c；A相低压绕组2a和A相高压绕组1a采用层式绕组，由内向外同心绕制在A相主磁芯铁心柱4a上，A相辅助绕组3a穿过A相辅助磁芯的窗口绕制在A相主磁芯铁心柱4a和辅助磁芯铁心柱5a上；B相低压绕组2b和B相高压绕组1b采用层式绕组，由内向外同心绕制在B相主磁芯铁心柱4b上，B相辅助绕组3b穿过B相辅助磁芯的窗口绕制在B相主磁芯铁心柱4b和辅助磁芯铁心柱5b上；C相低压绕组2c和C相高压绕组1c采用层式绕组，由内向外同心绕制在C相主磁芯铁心柱4c上，C相辅助绕组3c穿过C相辅助磁芯的窗口绕制在C相主磁芯铁心柱4c和辅助磁芯铁心柱5c上。

如图1所示，本发明将辅助绕组与高压绕组、低压绕组分开，增大绕组间的距离，使高压绕组和辅助绕组通过主磁芯的耦合作用变弱，主磁芯中的磁通减少而漏磁通增大，从而增大变压器漏感。本发明的磁芯的尺寸及材料可以根据所需的漏感频率及漏感值确定，磁芯的磁导率远大于空气，绕组中电流产生的磁通主要通过主磁芯，而不同的磁导率可以改变主磁通与漏磁通的大小，从而增大漏感且实现了漏感可调节；本发明的三相辅助磁芯共用材料，节约了磁芯的体积，同时辅助磁芯紧贴主磁芯，可以与主磁芯共同设计并制作固定，不仅减小设计方案的体积，也能降低辅助磁芯的制作成本，以及安装和固定成本。

如图2所示，一种磁集成混合配电变压器，其主电路包括变压器单元和变换器单元；如图2(a)所示，变压器单元的绕组包括三相高压绕组1，三相低压绕组2和三相辅助绕组3；其中分别为A相高压绕组、B相高压绕组、C相高压绕组，A相低压绕组、B相低压绕组、C相低压绕组、A相辅助绕组、B相辅助绕组及C相辅助绕组。A、B、C三相低压绕组绕制在三根铁心柱上，A、B、C三相高压绕组置于低压绕组外侧，同样绕制在主磁芯的三根铁心柱上，A、B、C三相辅助绕组位于高压绕组和低压绕组的上方，同样绕制在主磁芯的三根铁心柱上且穿过辅助磁芯与铁心柱、铁轭共同形成的两个窗口；规定高压绕组、低压绕组及辅助绕组的首端为同名端，高压绕组采用三角形接法接入电网，具体为，A、B、C三相高压绕组的首端接入电网，同时A相高压绕组的首端与C相高压绕组的末端相连接，B相高压绕组的首端与A相高压绕组的末端连接，C相高压绕组的首端与B相高压绕组的末端相连接。在实施例电路连接中，变流器不能施加有功功率的限制被消除了，几乎可以生成任意的电压和电流矢量。

如图2(b)所示，所述变换器单元4由1个AC-DC变换器5、1个DC-AC变换器6、1个AC-DC变换器与DC-AC变换器共用的直流母线电容8和4个滤波电感11和1个交流输出滤波器12构成。其中所述AC-DC变换器5包括3个并联的电流控制桥臂，每相电流桥臂由两个开关管7串联而成，所述DC-AC变换器6包括3个并联的电压控制桥臂和1个零序控制桥臂，每相电压桥臂由两个开关管9串联而成，零序控制桥臂由两个开关管10串联而成；所述的每相辅助绕组采用三角形接法与变换器单元每相电流输出端相连，具体为A、B、C三相辅助绕组的首端与变换器单元A、B、C三相电流输出端u1、v1、w1相连，同时A相辅助绕组的首端与C相辅助绕组的末端连接，B相辅助绕组的首端与A相辅助绕组的末端连接，C相辅助绕组的首端与B相辅助绕组的末端相连。

如图2(b)和图2(c)所示，所述每相低压绕组分别与负载和变换器单元每相电压输出端连接，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载14的中线相连，具体为，A、B、C三相低压绕组的首端与A、B、C三相负载14前端u3、v3、w3相连，A、B、C三相低压绕组的末端分别与变换器三相电压输出端u2、v2、w2相连，变换器单元的零序输出端n2与三相四线制负载14的中线n3相连。

如图3所示，本发明实施例提供的电磁仿真结果表明：

1、辅助磁芯位于辅助绕组和高压绕组之间的部分的主磁芯铁心柱有较高磁感应强度，说明有较多磁通通过辅助磁芯，辅助绕组和高压绕组之间的漏感得到了提升，验证了本发明结构设计的有效性；

2、本发明结构简单的磁集成混合配电变压器的主铁芯和辅助磁芯处均未饱和，辅助磁芯饱和度较低，满足变压器铁芯设计设计要求，验证了本发明结构设计的实际可行性。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：包括变压器单元和变换器单元，所述变压器单元包括主磁芯、辅助磁芯、高压绕组、低压绕组和辅助绕组；

所述的主磁芯包括三根铁心柱，在三根铁心柱上分别设置绕组，所述的三根铁心柱纵向排列，在三根铁心柱之间设置铁轭将其固定；

所述的辅助磁芯包括2个方形空心磁环，紧贴主磁芯的铁心柱和铁轭，辅助磁芯之间紧密贴合，所述的高压绕组与低压绕组采用层式绕组绕制在主磁芯铁心柱上，所述的辅助绕组缠绕在三根铁心柱上半部分，所述辅助绕组位于高压绕组和低压绕组的上方，所述辅助绕组穿过由铁心柱、铁轭和辅助磁芯形成的两个窗口；

所述主磁芯的高压绕组通过三角形接法接入电网；所述低压绕组分别与三相四线制负载和变换器单元每相电压输出端连接；所述辅助绕组每相首段与变换器单元电流输出端相连并且辅助绕组每相首尾互相连接，构成具有变压器漏感和变换器电感的磁集成的混合配电变压器。

2.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述主磁芯的三根铁心柱分别缠绕三相绕组；所述的低压绕组、高压绕组由内到外排列，且从左往右按A、B、C三相的顺序依次绕制在主磁芯铁心柱上。

3.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述铁轭设置两组，两组铁轭分别设置在铁心柱的上端与下端；所述辅助绕组穿过辅助磁芯的窗口分别绕制在各自的主磁芯铁心柱上，通过调节辅助磁芯尺寸及材料，即可根据所需漏感频率确定漏感值。

4.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述变换器单元包括1个AC-DC变换器、1个DC-AC变换器与DC-AC变换器共用的直流母线电容和4个滤波电感和1个三相四线交流电压滤波器；

所述AC-DC变换器包括3个并联的电流控制桥臂；所述DC-AC变换器包括3个并联的电压控制桥臂和1个零序控制桥臂；

所述4个滤波电感连接在所述DC-AC变换器的4个桥臂输出之后，连接在3个所述电压控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的三相电压输出端，连接在所述零序控制桥臂之后的滤波电感的后端为所述变换器单元的零序输出端；

所述三相四线交流电压滤波器并联在所述变换器单元的三相电压输出端和零序输出端之间。

5.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述辅助绕组与电流控制桥臂的中点相连，所述低压绕组与所述变换器单元的三相电压输出端相连，所述变换器单元的零序输出端与三相四线制负载的中线相连。

6.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述辅助绕组与高、低压绕组分开，所述辅助绕组穿过辅助磁芯，减小高压绕组与辅助绕组通过主磁芯产生的耦合。

7.根据权利要求1所述的一种磁集成混合配电变压器，其特征在于：所述变压器的三相辅助磁芯共用材料；所述辅助磁芯紧贴主磁芯，且可以与主磁芯共同固定。

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