CN1308787A

CN1308787A - 在电气系统中产生中性点的装置

Info

Publication number: CN1308787A
Application number: CN99808272.4A
Authority: CN
Inventors: M·卡尔森; T·沃尔佩特
Original assignee: Emerson Energy Systems AB
Current assignee: Vertiv Sweden AB
Priority date: 1998-05-06
Filing date: 1999-05-04
Publication date: 2001-08-15
Also published as: EP1078446A1; CA2331648A1; SE513879C2; AU4304899A; WO1999057800A1; US6466466B1; RU2000130722A; JP2002514039A; TR200003210T2; BR9910223A; SE9801583D0; SE9801583L; HUP0101967A2

Abstract

一个供电系统具有两或多个相(R2,S2,T2),用于每一相的一个整流器(101,103,105),还包括在供电系统内产生虚拟中性点(NA2)、和所述整流器并联连接的虚拟中性点(ANP)产生装置(A2)。所述ANP装置(A2)将系统的零序列电压分量短路但不影响正和负序列分量。ANP装置(A2)包括能够使磁通量的矢量和为零的磁性组件。根据第一实施例,ANP装置(A1)包括对应于每相的一个变压器(113,115,117),每个变压器的初级绕组和相应的相(R2,S2,T2)按星形结构相连,次级绕组串联,而初级绕组的互连点构成一个虚拟中性点。

Description

在电气系统中产生中性点的装置

本发明涉及在具有两或多相的供电系统中使用的多相整流设备，所述设备包括用于每一相的具有第一和第二初级端的单相整流器，每个整流器由其第一初级端连接到相应的相，所述整流器的第二初级端互连。

这样的网络和这样的整流器在供电系统领域是公知的。

三相网络用的整流器可以利用星形连接的三个单相整流器设计而成。例如，对于3×400V网络，可以采用三个230V整流器。

如果在三相网络中没有可以利用的中性点，那么由这样的星形结构的三个整流器产生的中性点可能是不可靠的。各相之间的不对称效应可能既出现在稳态，也会出现在瞬态。当从低阻抗的网络供电时，可能会在通常稳定的整流器中引起振荡。这是因为每个整流器通过另两个整流器来“看”干线，导致它成为一个高阻抗的网络。

因此本发明的一个目的是在网络中提供一个稳定的虚拟中性点。

本发明这一目的是由开篇定义的多相整流设备实现的，该设备的特征在于它包括可和所述单相整流器并联连接的用于在供电系统内产生中性点的装置。

通过在该系统中产生一个中性点，可以实现相电压尽可能一致的三个单相负载呈星形结构的连接方式。

另外，能够产生和供电系统的中性点独立无关的中性点，特别是在中性电势并不位于相矢量系统中间的情况下。

产生中性点的装置不和供电系统的中性导体相连。

产生中性点的装置优选包括这样的磁性组件，该磁性组件使得相电压的矢量和为零。所述产生中性点的装置优选作如此设置，使得相电压的零序分量短路，而不会影响正和负序分量。

根据第一优选实施例，所述产生中性点的装置包括对应于每相的一个变压器，每个变压器的初级绕组和相应的相按星形结构相连，次级绕组串联，而初级绕组的互连点构成所述中性点。

根据第二优选实施例，所述产生中性点的装置包括对应于每相的一个绕组，每个绕组缠绕在一个公共三柱铁芯的一个铁芯柱上，每个绕组的一端连接到相应的相，所述绕组互连，绕组的互连点构成所述的中性点。

根据第三优选实施例，所述产生中性点的装置包括第一、第二和第三变压器，每个变压器包括第一和第二绕组，而每相经一个变压器的第一绕组和另一变压器的第二绕组压和来自所述第一绕组的相反方向按之字耦合方式连接到虚拟中性点。

该第三优选实施例的优点是，由于没有采用次级绕组，组件的尺寸可以得到降低，或者绕组中所采用的导体的截面可以增加，由此降低变压器的阻抗而不必增加组件的尺寸。

根据本发明，用于产生中性点的装置也可以使用于在其相位图的中心没有发现中性点的供电系统中，比如日本所采用的供电系统。

该装置产生了这样的一个中性点，相电压的零序分量和其具有低阻抗连接，而正序和负序分量与其具有高阻抗连接。

将所述产生中性点连接的装置连接的结果不会影响正和负序电压分量，也就是说，它不会影响供电系统，构成正序系统。

本发明要求增加数量级为整流器功率的5％的磁性分量。

本发明具有下列优点：

可以采用任意种类的单相整流器，这样可以用较低的成本即可实现稳定的三相整流器；

根据本发明的整流器可以用于两相和三相。

如此实现的虚拟中性点不会给供电系统带来任何额外的负载；

相电压的零序分量被短路；

第三谐波分量和其倍频被短路；

其它优点包括从3×400V网络改变到3×230V网络的可能性以及在一相缺失的时候工作的可能性。

图1是基于单相整流器的现有技术的三相整流器；

图2是具有实现虚拟中性点的装置的三相整流器；

图3是结合三相系统使用的本发明第一实施例；

图4是结合三相系统使用的本发明第二实施例；

图5是结合三相系统使用的本发明第三实施例；

图6是结合三相系统使用的本发明第四实施例；

图7和图8分别是根据本发明的第一和第二实施例的二相整流器；

图9A-9G是示意本发明理念的相位图。

图1是基于单相整流器的现有技术的三相整流器。三个单相整流器1、3、5的第一初级端和三相网络的三个相R、S、T相连。第二初级端是互连的，即整流器呈星形结构连接。中性导体N必须是连接的，如图所示。

每个相的相电压分别由电压发生器7、9、11简要表示。

图2是类似图1所示的三相整流器。三个单相整流器21、23、25的第一初级端和三相网络的三个相R1、S1、T1相连。第二端是互连的，从而构成虚拟中性点NL1。网络的中性导体N1未被连接。对于每相，相电压分别由电压发生器27、29和31表示。虚拟中性点产生(ANP)装置A1和整流器21、23、25并联连接。平衡装置A1包括三个阻抗33、35、37，所述阻抗33、35、37分别和每个整流器21、23和25并联连接。阻抗33、35、37的输出端互连，构成虚拟中性点NA1。

根据上文，该方案仅在阻抗33、35、37非常小的情况下才是可行的，并且仅用于测试目的。

图3是本发明第一实施例的三相整流器。同图1一样，三个单相整流器101、103、105和三相网络的三个相R2、S2、T2相连。三相网络的中性导体N2不可利用，即未连接。整流器101、103、105的次级端在点NL2互连。三个电压源107、109、111分别表示在相R2、S2、T2上的电压。

由三个小变压器113、115、117构成的ANP单元A2提供了虚拟中性点NA2，该点连接至整流器101、103、105的互连的第二初级端。变压器113、115、117的初级绕组以星形结构互连。每个初级绕组的一端分别和每个相R2、S2、T2相连。次级绕组按开Δ连接法串联连接。

由于ANP装置的缘故，零序分量被短路，而正和负序分量未受影响。中性电势将设置在由相电压矢量构成的三角形的重心处，即相电压矢量和将为零。这一点将在下文详细说明。

图4是根据本发明第二实施例的三相整流器。同上文一样，一个三相系统具有三个整流器151、153、155，它们分别和三个相R3、S3、T3相连，整流器151、153、155的次级侧在点NL3互连。中性导体N3未被连接。对于每相，相电压分别由电压产生器157、159、161表示。如同图3所示，ANP装置A3被连接上，该装置在本实施例中包括第一、第二和第三单相变压器163、165、167，这三个变压器分别具有在分立铁芯上的第一和第二绕组。所有绕组具有相同的圈数。

所述绕组作如下连接，每个相R3、S3、T3经一个变压器的一个绕组和另一变压器的一个绕组按所谓的之字形耦合方式连接到虚拟中性点NA3。绕组的结构例如图4所示，R相R3经第二变压器165的第一绕组和第一变压器163的第二绕组连接。S相S3经第三变压器167的第一绕组和第二变压器165的第二绕组连接。T相T3经第一变压器163的第一绕组和第三变压器167的第二绕组连接。对第一和第二绕组的选择是任意进行的，只要每相经两个不同的变压器而被连接即可。

图5是根据本发明第三实施例的三相整流器。同上文一样，一个三相系统具有三个整流器201、203、205，它们分别和三个相R4、S4、T4相连，整流器201、203、205的次级侧在点NL4互连。中性导体N4未被连接。对于每相，相电压分别由电压产生器207、209、211表示。如同图3所示，ANP装置A4被连接上，该装置在本实施例中包括一个具有铁芯215的三相电感器213，该电感器有三个支路，每个支路上有一个绕组。每个绕组分别连接至相应的相R4、S4、T4，并且所述绕组互连以形成虚拟中性点NA4。

电感器213在相电压之和为零的场合下的功能如同三个绕组。如果在电压中出现零序分量，那么相应的通量不能经铁芯215闭合而必须闭合于周围空气中。该零序分量的磁化阻抗是如此之小，使得电感器213的功能就象它对于该分量而言是短路的。在该情况下，铁芯215将引起图3所述实施例中串联连接的次级绕组所产生的相同效果。

图6是结合三相系统使用的本发明第四实施例。同上文一样，一个三相系统具有三个整流器251、253、255，它们分别和三个相R5、S5、T5相连，整流器251、253、255的次级侧在点NL5互连。中性导体N5未被连接。对于每相，相电压分别由电压产生器257、259、261表示。如同图3所示，ANP装置A5被连接上，该装置在本实施例中包括一个具有铁芯265的三相变压器263，该铁芯有三个支路267、269、271，每个支路267、269、271上分别有一个初级绕组和一个次级绕组。每个初级绕组分别连接至相应的相R5、S5、T5。次级绕组呈Δ形串联连接。所述初级绕组互连以形成虚拟中性点NA5。

图7所示的实施例类似于图5所示实施例，该实施例适用于两相系统，例如它采用两个200伏整流器串联连接以构成400伏的主干电压。然后该设备使整流器的输入电压相同，因为次级绕组迫使于其次级侧互连的变压器将输入电压分离为两个相等的部分。

第一301和第二303整流器分别连接至相R6和S6，而它们的第二初级端在点NL6互连。中性导体N6未被连接。相电压分别由电压产生器307、309表示。一个平衡装置A6和整流器301和303并联连接。该平衡装置包括一个位于相同铁芯315上的第一311和第二313绕组。在所述绕组间产生虚拟中性点NA6，并且该点连接至整流器301、303的次级侧。

图8是和图3类似、适用于两相系统的实施例。

如同上文所述，第一401和第二403整流器分别连接至相R7和S7。整流器401、403的第二初级端互连以形成中性点NL7。相R7、S7上的电压分别由电压产生器407、409表示。中性导体N7未被连接。一个平衡装置A7被连接，它包括两个变压器413、415。两个变压器413、415的每个初级绕组和一个相连接，并且它们互连从而构成虚拟中性点NA7。所述次级绕组串联连接。

通常在次级绕组中没有电流，而它们的电压则互相补偿。这两个变压器电压之间的任何差别将在次级绕组中产生电流，该电流将恢复均衡流动，导致变压器将输入电压予以平衡。

这也解释了为什么两个输入电压不能以相反的相振荡的原因。这样的振荡将导致在初级绕组两端电压之间出现周期性差别，而这种差别由于次级绕组的缘故是不可能发生的。

如果ANP装置未被连接，整流器的中性点NL的电势可能和供电网络的中性点处的电势有所不同，以致于整流器两端的相电压将构成一个不对称的矢量系统。下文，将利用对称分量原理来分析有相电压UR、US、UT的这样的一种不对称三相矢量系统。

在三相系统中，每相电压可以由三个电压分量表示：正序，负序，和零序。正序分量有相序列R，S，T，而负序分量的相序是R，T，S，零序分量在所有三个相都是相等的。

如果三相系统中的相电压构成一个正序列的矢量系统，矢量和可以表示为：

UR+US+UT＝0 (1)

如图9A表示，UR+，US+和UT+分别是一个正序列系统中的相电压，在该系统中各相之间的相位差是120度。在此情况下，在次级绕组中没有引入电压。在图3的变压器113，115，117的次级绕组中没有电流流动，而变压器的阻抗将非常高，和磁化阻抗相对应。

当相电压是构成一个负序列系统的UR_，US_和UT_，各相之间的相位差为120度时，矢量和也是零，如图9B所示。在此情况下，在变压器113，115，117的次级绕组中没有引入电压。在次级绕组中没有电流流动，而变压器的阻抗将非常高，和磁化阻抗相对应。

图9C是一个零序列的矢量系统UR0，US0，UT0，其中次级电压具有相同的相位，因此相互叠加。在此情况下，在变压器的次级绕组中有电流流动，次级绕组将短路。每个变压器将在其初级端有一个短路阻抗，该阻抗一般远低于整流器的输入阻抗。

当相电压构成正序列和负序列矢量系统的一个组合时，它们有不同的大小，它们之间的相位角不再是120度，而它们的矢量和将仍然等于零。

在图9D，相电压构成一个图9A、9B、9C所示正序列、负序列和零序列矢量系统的组合。然后这三相电压是：

UR＝UR++UR-+UR0

US＝US++US-+US0

UT＝UT++UT-+UT0

那么这些相电压具有不同的大小，而它们之间的相角不再是120度。它们的和等于零序列分量的三倍，即3×U0，如图9E所示。

由于零序列分量的缘故，在短路的次级绕组中有电流流动。每个变压器113、115、117在其初级侧有一个短路阻抗，该阻抗一般远低于整流器的输入阻抗。

在一般情况下，中性点被给予一个电势，使得相电压UR、US、UT包括正序列、负序列和零序列分量，如图9D、9E所示。

图9F表示了一个系统，在该系统中，相电压是来自供电系统的正系列分量和由整流器中的差异引起的零序列分量的组合。相位图构成一个三角形RST，中性点NL位于三角形内，但不是在其重心。

图9G是同一系统在连接了诸如图3或图5所示的平衡单元之后的情形。平衡单元产生一个虚拟中性点N’L，零序列分量和该中性点有低阻抗连接，而正序列和负序列分量和该点有高阻抗连接。由图中可见，虚拟中性点N’L由相对于中性点NL的矢量U0＝UR0＝US0＝UT0代替。

连接平衡单元A1，A2，A4，A5，A6，A7的做法不会影响正和负序列分量，即它不会影响供电系统，该系统构成一个正序列系统。任何零序列分量被短路，除了每个变压器的短路阻抗。这隐含着当平衡单元A1，A2，A4，A5，A6，A7被连接上的时候，NL被移动到N’L，如图9G所示。整流器NL的中性点的电势移动到N’L，使得相电压的和变为零。

这继而又意味着：

-相电压将根据相R和S，S和T，T和R之间的主电压URS，USS，UTR将分别允许的程度趋于相等。在正序列系统中它们将变得一致。

-相电压不能振荡，因为中性点的电势是固定的。

-中性点电势中的三次谐波分量以及其倍频在所有三个相中具有相同的相位，将按零序列分量相同的方式短路。

这样，在具有中性导体的三相系统中的虚拟中性点按照和供电系统的中性点相似的方式工作，只要变压器的短路阻抗足够低到电流不会引起电压降的程度即可。

在上述讨论中，已经假设整流器的初级电流的和近似为零。如果不是如此，在中性点NL和NA之间将有负载电流，导致额外的电压降。因而变压器的尺寸会受到影响。

可以看到，图9G的零序列分量的短路将虚拟中性点转移到三角形RST的重心处。这一点在图9G所作的表示是针对对称三角形RST情形的，但是在更具一般性的不对称三角形RST情况下也是成立的。

Claims

1.在具有两或多个相(R1，S1，T1；R2，S2，T2；R3，S3，T3；R4，S4，T4；R5，S5，T5；R6，S6，T6)的供电系统中使用的多相整流设备，所述设备包括用于每一相的具有第一和第二初级端的单相整流器(21，23，25；101，103；151，153，155；203，205；231，233，235)，每个整流器由其第一初级端连接到相应的相，所述整流器(21，23，25；101，103；151，153，155；203，205；231，233，235)的第二初级端互连；其特征在于它包括可和所述单相整流器并联连接的用于在供电系统内产生中性点(NA1；NA2；NA3；NA4；NA5；NA6)的装置(A1；A2；A3；A4；A5；A6)。

2.根据权利要求1所述的整流设备，其特征在于所述产生中性点的装置不和该系统的中性点(NA1；NA2；NA3；NA4；NA5；NA6)相连。

3.根据上述任一权利要求所述的整流设备，其特征在于所述产生中性点的装置(A1；A2；A3；A4；A5；A6)包括这样的磁性组件，该磁性组件如此设置使得相电压的矢量和为零。

4.根据上述任一权利要求所述的整流设备，其特征在于所述产生中性点的装置(A1；A2；A3；A4；A5)作如此设置，使得该系统的零序列分量短路，而不会影响正和负序列分量。

5.根据权利要求3或4所述的整流设备，其特征在于所述磁性组件包括用于每相的缠绕在一个公共铁芯(215；265；315)上的至少一个绕组，每个绕组的一端连接到相应的相(R4，S4，T4；R5，S5，T5；R6，S6)而另一端互连，所述互连点(NA4；NA5；NA6)构成所述的中性点。

6.根据权利要求3或4所述的整流设备，其特征在于所述磁性组件包括对应于每相(R2，S2，T2；R7，S7)的一个变压器(113，115，117；413，415)，每个变压器(113，115，117；413，415)的初级绕组和相应的相按星形结构相连，次级绕组串联连接，而初级绕组的互连点构成所述虚拟中性点(NA2；NA7)。

7.根据权利要求3或4所述的整流设备，其特征在于所述磁性部件包括第一(163)、第二(165)和第三(167)变压器，每个变压器包括第一和第二绕组，而每相(R3，S3，T3)按之字耦合方式经一个变压器的第一绕组和沿着来自所述第一绕组的相反方向的另一变压器的第二绕组连接到虚拟中性点(NA3)。

8.供电系统，它包括两或多相(R1，S1，T1；R2，S2；R4，S4；R5，S5，T5；R6，S6，T6)以及用于每一相的一个单相整流器(21，23，25；101，103；201，203，205；231，233，235)，所述整流器(21，23，25；101，103；201，203，205；231，233，235)的第二初级端互连，其特征在于它包括依据前述任何一项权利要求的多相整流设备。