CN1437309A - “零纹波”电抗器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单相和三相“零纹波”电抗器。单相“零纹波”电抗器由一个电感和一个电容构成，三相“零纹波”电抗器由三个相同的电感和三个容量相等的电容构成；每个电感均有两个互相耦合的绕组，通过适当的耦合系数与匝数配比，使有限的电感量和很小的电容量实现了“零纹波”效果。该“零纹波”电抗器体积小、重量轻、成本低，广泛应用于高频开关变流领域。

Description

“零纹波”电抗器

本发明涉及一种用于平波(滤波)的“零纹波”电抗器。

目前，在高频开关变流领域中，广泛采用电抗器平波以及各种(无源或有源)滤波器滤波。而在高性能滤波器中往往含有电感元件。对于一个电感(或电容)来说，只要其量值是有限的，则必然有一定的纹波电流(或电压)，所以高频开关变流装置的电流(或电压)纹波指标是根据实际要求而设计的，若要提高这个指标，按以往的方法只有增加电感量(或电容量)或增加滤波环节，这会使电路复杂、体积增大、成本增加。

本发明的目的是，克服上述现有技术的不足，提供一种“零纹波”的电抗器，在电感值为有限的情况下，使(电源)输入电流和/或(负载)输出电流达到“零纹波”效果。

本发明的实现根据下述原理。

电感器滤波的物理实质是一个吸收和放出无功电能的过程。只要其电感量不是无穷大，若想吸收和放出无功，必须要有电感电流的增大和减小的变化，这个变化的分量就是所谓的纹波电流。那么能否利用两个互相耦合的绕组，使其中一个绕组流过电流的纹波分量，而另一个绕组流过非纹波分量呢？方法找到了。

电感(L₁--L₂)有两个互相耦合的绕组L₁、L₂，其匝数分别为N₁、N₂，互感量为L_m，设加在两个绕组两端的电压分别为V₁、V₂，且V₁＝λV₂，λ为比例系数，那么纹波电压也满足V_e1=λV_e2。电感(L₁--L₂)的电流纹波等效电路如图1所示，T型去耦等效电路如图2所示。L_p、L_s分别为初级、次级的漏电感，折算关系为：L_p＝L₁-L_m L_s＝L₂-L_m。则有： $V_{e1}=(L_p+L_m)\·\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+L_m\·\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}$ (1) $V_{e2}=L_m\·\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}+(L_s+L_m)\·\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}$ $\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{e1}}{L_{\mathrm{ep}}}=\frac{V_{e1}}{L_1\·\frac{1-K^2}{1-\mathrm{Kn\λ}}}$ $\frac{{\mathrm{di}}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{e2}}{L_{\mathrm{es}}}=\frac{V_{e2}}{L_2\·\frac{1-K^2}{1-K/\mathrm{n\λ}}}---\left(2\right)$ 式中，L_ep、L_es分别称为等效原边电感和等效副变电感； $K=\frac{L_m}{\sqrt{L_1{L}_2}}$ ，称为耦合系数； $n=\sqrt{\frac{L_1}{L_2}}=\frac{N_1}{N_2},$ 称为电感匝比。

当K＝nλ＜1时，L_ep＝L₁    L_es→∞。              (3)

结果：流过L₁的纹波电流不变，流过L₂的纹波电流为零。(即纹波电流只从L₁流过)

当 $K=\frac{1}{\mathrm{n\&lambda;}}<1$ 时，L_ep→∞    L_es＝L₂。                              (4)

结果：流过L₁的纹波电流为零，流过L₂的纹波电流不变。(即纹波电流只从L₂流过)

实际中，往往使λ＝1，即加在两个绕组上的电压波形一样。

根据上述原理，“零纹波”电抗器有单相和三相两种。

单相“零纹波”电抗器如图3所示，由一个电感(L_a--L_b)和一个电容(C)构成。电感(L_a--L_b)有两个互相耦合的绕组(L_a、L_b)，耦合系数为K，并且满足下列关系：

    L_a＞L_b   $0.95\sqrt{\frac{L_b}{L_a}}\&le;K\&le;1.05\sqrt{\frac{L_b}{L_a}}---\left(5\right)$ 其连接关系为：电感(L_a--L_b)的两个绕组(L_a、L_b)的一组同名端相连作为一个输入/输出端子(1)；电感量较大的绕组(L_a)的另一端作为一个输入/输出端子(2)；电感量较小的绕组(L_b)的另一端连接电容(C)的一端，电容(C)的另一端作为公共端子(3)。这样，连接端子(1)、端子(3)的回路电流有纹波(来自L_b支路)，连接端子(2)、端子(3)的回路电流“零纹波”，并且电容(C)的电压等于端子(2)与端子(3)间的电压，即电容(C)和绕组(L_b)起着储放无功电能的作用。实践证明，当K略微大于 时，很小容量的电容(C)，就可以使绕组(L_a)达到很高的“零纹波”效果，并且允许电流在较大范围内变化。

三相“零纹波”电抗器如图4所示，由三个电感(L_1a--L_1b、L_2a--L_2b、L_3a--L_3b)和三个容量相等的电容(C₁、C₂、C₃)组成。每个电感有两个互相耦合的绕组，分别为(L_1a、L_1b)、(L_2a、L_2b)、(L_3a、L_3b)，耦合系数分别为K₁、K₂、K₃，并且满足下列关系：

     L_1a＞L_1b   $0.95\sqrt{\frac{L_{1b}}{L_{1a}}}\&le;K_1\&le;1.05\sqrt{\frac{L_{1b}}{L_{1a}}}---\left(6\right)$

     L_1a＝L_2a＝L_3a   L_1b＝L_2b＝L_3b    K₁＝K₂＝K₃连接关系为：每个电感的两个互相耦合绕组的一组同名端相连接作为一相输入/输出端子，共三相(a、b、c)；电感量较大的绕组(L_1a、L_2a、L_3a)的另一端作为输出/输入端子，共三相(a′、b′、c′)。三个电容(C₁、C₂、C₃)的一端并联，另一端作为三个支点(即Y形连接)，或三个电容(C₁、C₂、C₃)循环串联产生三个节点(即△形连接)；三个支点或三个节点分别连接电感量较小的绕组(L_1b、L_2b、L_3b)的另一端。实践证明，当K₁略微大于

时，很小容量的三个电容(C₁、C₂、C₃)，就可以达到很高的“零纹波”效果，即连接三相端子(a、b、c)的回路电流有纹波(分别来自L_1b、L_2b、L_3b支路)，连接三相端子(a′、b′、c′)的回路电流“零纹波”，并且允许电流在较大范围内变化。

本发明与现有技术相比具有如下优越性：

该“零纹波”电抗器利用电感的两个绕组之间的适当耦合与匝数配比，有限的电感量和很小的电容量就实现了“零纹波”效果。体积小、重量轻、成本低。

下面结合附图以最佳实施例详述本发明。

图1为电感(L₁--L₂)的电流纹波等效电路；

图2为电感(L₁--L₂)的电流纹波T型去耦等效电路；

图3为单相“零纹波”电抗器电路图；

图4为三相“零纹波”电抗器电路图。

如图3所示，单相“零纹波”电抗器由一个电感(L_a--L_b)和一个电容(C)构成。电感(L_a--L_b)有两个互相耦合的绕组(L_a、L_b)，耦合系数为K，并且：L_a＞L_b， $K\&ap;1.02\sqrt{\frac{L_b}{L_a}}$ 。其连接关系为：电感(L_a--L_b)的两个绕组(L_a、L_b)的一组同名端相连作为一个输入/输出端子(1)；电感量较大的绕组(L_a)的另一端作为一个输入/输出端子(2)；电感量较小的绕组(L_b)的另一端连接电容(C)的一端，电容(C)的另一端作为公共端子(3)。

很小容量的电容(C)，就可以使绕组(L_a)达到很高的“零纹波”效果，即：若输入电压从端子(1)、端子(3)接入，输出电压从端子(2)、端子(3)送出，则输入电流有纹波(来自L_b支路)，输出电流“零纹波”；若输入电压从端子(2)、端子(3)接入，输出电压从端子(1)、端子(3)送出，则输入电流“零纹波”，输出电流有纹波(来自L_b支路)；并且允许输入输出电流在较大范围内变化。

如图4所示，三相“零纹波”电抗器由三个电感(L_1a--L_1b、L_2a--L_2b、L_3a--L_3b)和三个容量相等的电容(C₁、C₂、C₃)组成。每个电感有两个互相耦合的绕组，分别为(L_1a、L_1b)、(L_2a、L_2b)、(L_3a、L_3b)，耦合系数分别为K₁、K₂、K₃，并且满足下列关系：

     L_1a＞L_1b    $K_1\&ap;1.02\sqrt{\frac{L_{1b}}{L_{1a}}}$

     L_1a＝L_2a＝L_3a   L_1b＝L_2b＝L_3b    K₁＝K₂＝K₃连接关系为：每个电感的两个互相耦合绕组的一组同名端相连接作为一相输入/输出端子，共三相(a、b、c)；电感量较大的绕组(L_1a、L_2a、L_3a)的另一端作为输出/输入端子，共三相(a′、b′、c′)。三个电容(C₁、C₂、C₃)的一端并联，另一端作为三个支点(即Y形连接)，三个支点分别连接电感量较小的绕组(L_1b、L_2b、L_3b)的另一端。

很小容量的三个电容(C₁、C₂、C₃)，就可以达到很高的“零纹波”效果，即：若三相输入电压连接三相端子(a、b、c)，三相输出电压从三相端子(a′、b′、c′)送出，则三相输入电流有纹波(分别来自L_1b、L_2b、L_3b支路)，三相输出电流“零纹波”；若三相输入电压连接三相端子(a′、b′、c′)，三相输出电压从三相端子(a、b、c)送出，则三相输入电流“零纹波”，三相输出电流有纹波(分别来自L_1b、L_2b、L_3b支路)；并且允许输入输出电流在较大范围内变化。

Claims (2)

1、一种单相“零纹波”电抗器，由一个电感(L_a--L_b)和一个电容(C)构成，其特征是：电感(L_a--L_b)有两个互相耦合的绕组(L_a、L_b)，耦合系数为K，并且满足

     L_a＞L_b    $0.95\sqrt{\frac{L_b}{L_a}}\&le;K\&le;1.05\sqrt{\frac{L_b}{L_a}};$ 连接关系为：电感(L_a--L_b)的两个绕组(L_a、L_b)的一组同名端相连作为一个输入/输出端子(1)，电感量较大的绕组(L_a)的另一端作为一个输入/输出端子(2)，电感量较小的绕组(L_b)的另一端连接电容(C)的一端，电容(C)的另一端作为公共端子(3)。

2、一种三相“零纹波”电抗器，由三个电感(L_1a--L_1b、L_2a--L_2b、L_3a--L_3b)和三个容量相等的电容(C₁、C₂、C₃)组成，其特征是：每个电感有两个互相耦合的绕组，分别为(L_1a、L_1b)、(L_2a、L_2b)、(L_3a、L_3b)，耦合系数分别为K₁、K₂、K₃，并且满足

     L_1a＞L_1b    $0.95\sqrt{\frac{L_{1b}}{L_{1a}}}\&le;K_1\&le;1.05\sqrt{\frac{L_{1b}}{L_{1a}}};$

     L_1a＝L_2a＝L_3a   L_1b＝L_2b＝L_3b    K₁＝K₂＝K₃连接关系为：每个电感的两个互相耦合绕组的一组同名端相连接作为一相输入/输出端子，共三相(a、b、c)；电感量较大的绕组(L_1a、L_2a、L_3a)的另一端作为输出/输入端子，共三相(a′、b′、c′)；三个电容(C₁、C₂、C₃)的一端并联，另一端作为三个支点，即Y形连接，或三个电容(C₁、C₂、C₃)循环串联产生三个节点，即△形连接；三个支点或三个节点分别连接电感量较小的绕组(L_1b、L_2b、L_3b)的另一端。

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