CN117438764A - 一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,该调谐滤波器外接于磁控变压器的滤波绕组,其中,所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性,所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。由此可见,调谐滤波器在特征次谐波环境下时的谐波阻抗接近于0,达到谐波分流的作用,使谐波绕组阻抗完成感应滤波,当磁控变压器一次侧二次侧有谐波电流时,能够屏蔽一二次侧的谐波电流,改善电能质量。
Description
技术领域
本申请涉及电气装备领域,更具体的说,是涉及一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器。
背景技术
随着城市配电线路电缆化率越来越高,在负荷较轻时,线路末端容易出现容升效应,此时亟需感性无功补偿设备补偿容性无功。而现有的无功补偿设备需要额外的占地面积,未来城市配电网建设空间有限,探索紧凑一体化的多功能磁控变压器对未来城市配电网的建设具有重要意义。紧凑型磁控变压器集成了三相变压器和磁控电抗器,只需要增加较小的占地面积就可使传统变压器在升降压功能的基础上灵活补偿无功功率。
由于磁控变压器是基于铁芯磁饱和原理来调节励磁的,在调节过程中将会产生谐波。在调节过程中产生的谐波电流会使变压器产生运行损耗和温升,加速变压器的绝缘和老化,减少电气设备的使用寿命。
如何设计一种能够抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,以当磁控变压器一次侧二次侧有谐波电流时,能够屏蔽一二次侧的谐波电流,改善电能质量,是需要关注的问题。
发明内容
鉴于上述问题,本申请提供了一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,以当磁控变压器一次侧二次侧有谐波电流时,能够屏蔽一二次侧的谐波电流,改善电能质量。
为了实现上述目的,现提出具体方案如下:
一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,外接于磁控变压器的滤波绕组;
所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性;
所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。
可选的,所述各个特征次谐波频率包括5次谐波和7次谐波;
所述调谐滤波器为双调谐滤波器,所述调谐滤波器包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容,所述第二电容和所述第二电感并联构成并联电路,所述第一电容通过所述第一电感、所述并联电路串联接于所述滤波绕组,所述第一电容接地;
所述第一电容取第一电容值、所述第一电感取第一电感值,所述第二电感取第二电感值,所述第二电容取第二电容值,以使所述调谐滤波器在5次谐波和7次谐波下具有零阻抗特性;
所述第一电容值为:
其中,C1为所述第一电容值,m为所述调谐滤波器的等效滤波次数,U是所述滤波绕组的电压,Q是所述磁控变压器的无功补偿容量;
所述第一电感值为:
其中,L1为所述第一电感值,ωr为所述调谐滤波器的中心频率,ω5为所述5次谐波的角频率,ω7为所述7次谐波的角频率;
所述第二电感值为:
其中,L2为所述第二电感值;
所述第二电容值为:
其中,C2为所述第二电容值。
可选的,所述磁控变压器还包括一次侧绕组和二次侧绕组;
所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗,加上所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗,再减去所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的结果为0,以使所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征,所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk12(%)为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,f为所述磁控变压器的工作频率,μ0为绝对磁导率,I1为所述一次侧绕组的额定电流,N1为所述一次侧绕组的匝数,ρ12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的洛氏系数,S12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的等值漏磁面积,H12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的平均电抗高度,et为单匝电势值;
所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk23(%)为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,I2为所述二次侧绕组的额定电流,N2为所述二次侧绕组的匝数,ρ23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度;
所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk13(%)为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,ρ13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度。
可选的,所述一次侧绕组的匝数为:
其中,U1为所述一次侧绕组的额定电压,Φmax为所述磁控变压器的磁阀处流过的磁通。
可选的,所述磁控变压器的磁阀处流过的磁通为:
Φmax=BtSt
其中,Bt为硅钢片在临界饱和时的磁感应强度,St为所述磁控变压器的磁阀面积。
可选的,所述磁控变压器的磁阀面积为:
其中,SA为所述磁控变压器的铁芯截面积。
可选的,所述磁控变压器的铁芯截面积为:
其中,D为所述磁控变压器的铁芯截面圆的直径,K为预设经验系数,SP为所述磁控变压器的每相容量。
可选的,所述二次侧绕组的匝数为:
其中,U2为所述二次侧绕组的额定电压,n为所述磁控变压器的变压器变比。
可选的,所述磁控变压器的无功输出容量为所述磁控变压器的总输出容量的20%;
所述磁控变压器的每相承担的无功容量为所述磁控变压器的最大无功容量的1/3。
可选的,所述磁控变压器的磁阀长度为:
其中,lt为所述磁控变压器的磁阀长度,Q相为所述磁控变压器的每相承担的无功容量,f为所述磁控变压器的工作频率,μt为所述磁控变压器的磁阀全周期工作在饱和区域时的磁导率,N1为所述磁控变压器的一次侧绕组的匝数,St为所述磁控变压器的磁阀面积,U线为所述一次侧绕组的线电压。
借由上述技术方案,本申请的抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器外接于磁控变压器的滤波绕组,其中,所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性,所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。由此可见,调谐滤波器在特征次谐波环境下时的谐波阻抗接近于0,达到谐波分流的作用,使谐波绕组阻抗完成感应滤波,当磁控变压器一次侧二次侧有谐波电流时,能够屏蔽一二次侧的谐波电流,改善电能质量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为本申请实施例提供的一种调谐滤波器跟磁控变压器的连接关系示意图;
图2为本申请实施例提供的一种磁控变压器的结构图;
图3为本申请实施例提供的一种调谐滤波器的电路结构图;
图4为本申请实施例提供的一种磁控变压器的绕组间的关系拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的实现一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器跟磁控变压器的连接关系示意图,如图1所示,该调谐滤波器可以外接于磁控变压器的滤波绕组。
其中,磁控变压器的结构如图2所示,磁控变压器可以由6个滤波绕组、6个直流绕组、3个一次侧绕组、3个二次侧绕组以及三块铁芯组成。
具体的,二次侧绕组和一次侧绕组通过缠绕于两块铁芯的各自一条边,使两块铁芯连接,一次侧绕组包裹二次侧绕组,使得一次侧绕组在外,二次侧绕组在内。直流绕组和滤波绕组均在每块铁芯的顶部和底部缠绕,滤波绕组包裹直流绕组,使得滤波绕组在外,直流绕组在内。
可以理解的是,调谐滤波器可以与如图2所示的磁控变压器的3个滤波绕组连接。
进一步的,所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性。
其中,各个特征次谐波频率可以包括5次谐波,7次谐波,11次谐波,13次谐波。磁控变压器工作主要以5、7、11、13次的谐波为主,因此,滤波绕组接5、7、11、13次为主要特征的谐波滤波器,从而达到抑制磁控变压器谐波的目的。
可以理解的是,由于调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性,那么调谐滤波器能够针对各个特征次谐波环境下的谐波阻抗接近于0,从而达到谐波分流的作用,使谐波绕组阻抗完成感应滤波。
与此同时,磁控变压器的滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。
具体的,磁控变压器的滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征可以表示磁控变压器的各个绕组之间的短路阻抗的合值为0,具备零等值漏阻抗设计特征的滤波绕组能够屏蔽各个负载绕组的谐波电流,也即能够屏蔽磁控变压器的一次侧绕组的谐波电流以及二次侧绕组的谐波电流。
本实施例提供的抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,其外接于磁控变压器的滤波绕组,其中,所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性,所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。由此可见,调谐滤波器在特征次谐波环境下时的谐波阻抗接近于0,达到谐波分流的作用,使谐波绕组阻抗完成感应滤波,当磁控变压器一次侧二次侧有谐波电流时,能够屏蔽一二次侧的谐波电流,改善电能质量。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的调谐滤波器进行进一步介绍,具体的,当各个特征次谐波频率包括5次谐波和7次谐波时,调谐滤波器可以是双调谐滤波器,以抑制5次和7次的谐波电流。此时,调谐滤波器的电路结构图可以如图3所示,调谐滤波器可以包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容。
具体的,第一电感和第二电感的品质因数可以不小于50,第一电容和第二电容的介质损耗角正切值可以不大于0.03%。
其中,所述第二电容和第二电感并联构成并联电路,所述第一电容通过所述第一电感与所述并联电路串联,且所述第一电容通过所述第一电感、所述并联电路串联接于所述滤波绕组,所述第一电容接地。
可以理解的是,第一电感、第二电感、第一电容和第二电容可以采用与无源滤波器相类似的结构,可以不需要考虑系统阻抗的影响进行比较繁琐的偏调谐设计。
为使调谐滤波器在5次谐波和7次谐波下具有零阻抗特性,需要对第一电容的取值、第一电感的取值、第二电感的取值以及第二电容的取值进行设计。并当所述第一电容取第一电容值、所述第一电感取第一电感值,所述第二电感取第二电感值,所述第二电容取第二电容值时,所述调谐滤波器在5次谐波和7次谐波下具有零阻抗特性。
其中,所述第一电容值可以为:
其中,C1为所述第一电容值,m为所述调谐滤波器的等效滤波次数,U是所述滤波绕组的电压,Q是所述磁控变压器的无功补偿容量。
所述第一电感值可以为:
其中,L1为所述第一电感值,ωr为所述调谐滤波器的中心频率,ω5为所述5次谐波的角频率,ω7为所述7次谐波的角频率。
所述第二电感值可以为:
其中,L2为所述第二电感值。
所述第二电容值可以为:
其中,C2为所述第二电容值。
除此之外,当各个特征次谐波频率包括5次谐波、7次谐波、11次谐波和13次谐波时,调谐滤波器可以是全调谐滤波器。磁控变压器通过使滤波绕组外接全调谐滤波器,实现抑制5次、7次、11次和13次的谐波电流。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的磁控变压器进行进一步介绍,该磁控变压器除了包括滤波绕组之外,还包括一次侧绕组和二次侧绕组,如图2所示。
由于磁控变压器的滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征,表示磁控变压器的各个绕组之间的短路阻抗的合值为0,那么当所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗,加上所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗,再减去所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的结果为0时,所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。
其中,所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,可以为:
其中,Zk12(%)为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,f为所述磁控变压器的工作频率,μ0为绝对磁导率,I1为所述一次侧绕组的额定电流,N1为所述一次侧绕组的匝数,ρ12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的洛氏系数,S12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的等值漏磁面积,H12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的平均电抗高度,et为单匝电势值。
所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,可以为:
其中,Zk23(%)为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,I2为所述二次侧绕组的额定电流,N2为所述二次侧绕组的匝数,ρ23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度。
所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,可以为:
其中,Zk13(%)为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,ρ13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度。
基于图2所示的磁控变压器的结构图,磁控变压器除了包括有滤波绕组、一次侧绕组和二次侧绕组之外,还可以包括直流绕组,那么滤波绕组、一次侧绕组、二次侧绕组和直流绕组之间的关系拓扑可以如图4所示。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的一次侧绕组的匝数进行介绍,具体的,一次侧绕组的匝数可以为:
其中,U1为所述一次侧绕组的额定电压,Φmax为所述磁控变压器的磁阀处流过的磁通。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的、磁控变压器的磁阀处流过的磁通进行介绍,具体的,磁控变压器的磁阀处流过的磁通可以为:
Φmax=BtSt
其中,Bt为硅钢片在临界饱和时的磁感应强度,St为所述磁控变压器的磁阀面积。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的、磁控变压器的磁阀面积进行介绍,具体的,磁控变压器的磁阀面积可以为:
其中,SA为所述磁控变压器的铁芯截面积。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的、磁控变压器的铁芯截面积进行介绍,具体的,由于紧凑型磁控变压器在多数情况下与传统变压器的工况近似,所以将按照传统变压器的铁芯截面积的估算经验公式来对紧凑型磁控变压器单框主铁心的截面积进行计算,那么磁控变压器的铁芯截面积可以为:
其中,D为所述磁控变压器的铁芯截面圆的直径,SP为所述磁控变压器的每相容量,K为预设经验系数。
其中,预设经验系数K的取值范围可以如下表所示:
可以理解的是,当绕组的线圈采用铜线圈冷轧片,且为两线圈或三线圈时,预设经验系数K的可取范围为55~60。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的、二次侧绕组的匝数进行介绍,具体的,二次侧绕组的匝数可以为:
其中,U2为所述二次侧绕组的额定电压,n为所述磁控变压器的变压器变比。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的磁控变压器的参数进行进一步介绍,具体的,考虑到磁控变压器的磁阀全周期工作在饱和区域,磁控变压器的无功输出容量可以为磁控变压器的总输出容量的20%,磁控变压器的每相承担的无功容量可以为磁控变压器的最大无功容量的1/3。
本申请的一些实施例中,对上述实施例提到的、磁控变压器的磁阀长度进行介绍,具体的,磁控变压器的磁阀长度可以为:
其中,lt为所述磁控变压器的磁阀长度,Q相为所述磁控变压器的每相承担的无功容量,f为所述磁控变压器的工作频率,μt为所述磁控变压器的磁阀全周期工作在饱和区域时的磁导率,N1为所述磁控变压器的一次侧绕组的匝数,St为所述磁控变压器的磁阀面积,U线为所述一次侧绕组的线电压。
最后,还需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间可以根据需要进行组合,且相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种抑制磁控变压器谐波的调谐滤波器,其特征在于,所述调谐滤波器外接于磁控变压器的滤波绕组;
所述调谐滤波器在各个特征次谐波频率下具有零阻抗特性;
所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征。
2.根据权利要求1所述的调谐滤波器,其特征在于,所述各个特征次谐波频率包括5次谐波和7次谐波;
所述调谐滤波器为双调谐滤波器,所述调谐滤波器包括第一电感、第二电感、第一电容和第二电容,所述第二电容和所述第二电感并联构成并联电路,所述第一电容通过所述第一电感、所述并联电路串联接于所述滤波绕组,所述第一电容接地;
所述第一电容取第一电容值、所述第一电感取第一电感值,所述第二电感取第二电感值,所述第二电容取第二电容值,以使所述调谐滤波器在5次谐波和7次谐波下具有零阻抗特性;
所述第一电容值为:
其中,C1为所述第一电容值,m为所述调谐滤波器的等效滤波次数,U是所述滤波绕组的电压,Q是所述磁控变压器的无功补偿容量;
所述第一电感值为:
其中,L1为所述第一电感值,ωr为所述调谐滤波器的中心频率,ω5为所述5次谐波的角频率,ω7为所述7次谐波的角频率;
所述第二电感值为:
其中,L2为所述第二电感值;
所述第二电容值为:
其中,C2为所述第二电容值。
3.根据权利要求1所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器还包括一次侧绕组和二次侧绕组;
所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗,加上所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗,再减去所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的结果为0,以使所述滤波绕组具备零等值漏阻抗设计特征,所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk12(%)为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的短路阻抗的百分数,f为所述磁控变压器的工作频率,μ0为绝对磁导率,I1为所述一次侧绕组的额定电流,N1为所述一次侧绕组的匝数,ρ12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的洛氏系数,S12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的等值漏磁面积,H12为所述一次侧绕组与所述滤波绕组之间的平均电抗高度,et为单匝电势值;
所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk23(%)为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,I2为所述二次侧绕组的额定电流,N2为所述二次侧绕组的匝数,ρ23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H23为所述滤波绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度;
所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,为:
其中,Zk13(%)为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的短路阻抗的百分数,ρ13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的洛氏系数,S13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的等值漏磁面积,H13为所述一次侧绕组与所述二次侧绕组之间的平均电抗高度。
4.根据权利要求3所述的调谐滤波器,其特征在于,所述一次侧绕组的匝数为:
其中,U1为所述一次侧绕组的额定电压,Φmax为所述磁控变压器的磁阀处流过的磁通。
5.根据权利要求4所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器的磁阀处流过的磁通为:
Φmax=BtSt
其中,Bt为硅钢片在临界饱和时的磁感应强度,St为所述磁控变压器的磁阀面积。
6.根据权利要求5所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器的磁阀面积为:
其中,SA为所述磁控变压器的铁芯截面积。
7.根据权利要求6所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器的铁芯截面积为:
其中,D为所述磁控变压器的铁芯截面圆的直径,K为预设经验系数,SP为所述磁控变压器的每相容量。
8.根据权利要求4所述的调谐滤波器,其特征在于,所述二次侧绕组的匝数为:
其中,U2为所述二次侧绕组的额定电压,n为所述磁控变压器的变压器变比。
9.根据权利要求1-8任一项所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器的无功输出容量为所述磁控变压器的总输出容量的20%;
所述磁控变压器的每相承担的无功容量为所述磁控变压器的最大无功容量的1/3。
10.根据权利要求9所述的调谐滤波器,其特征在于,所述磁控变压器的磁阀长度为:
其中,lt为所述磁控变压器的磁阀长度,Q相为所述磁控变压器的每相承担的无功容量,f为所述磁控变压器的工作频率,μt为所述磁控变压器的磁阀全周期工作在饱和区域时的磁导率,N1为所述磁控变压器的一次侧绕组的匝数,St为所述磁控变压器的磁阀面积,U线为所述一次侧绕组的线电压。
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