CN203118745U

CN203118745U - 一种用于24脉波整流的圆形移相变压器

Info

Publication number: CN203118745U
Application number: CN 201220656109
Authority: CN
Inventors: 王铁军; 方芳; 姜晓弋; 柳泊
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2022-12-04

Abstract

本实用新型公开一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，包括内部铁芯、外部铁芯、输入绕组和输出绕组，所述内部铁芯呈圆柱状、外部铁芯呈圆环状，内部铁芯位于外部铁芯中间，内、外铁芯之间有气隙，气隙内填充有树脂胶；内部铁芯外表面开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的三相输入绕组，槽口与输入绕组之间插入槽楔；外部铁芯的内表面也开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的四套三相输出绕组，槽口与输出绕组之间插入槽楔，四套三相输出绕组的空间位置依次相移15°；内部铁芯槽口与外部铁芯槽口对齐；输入绕组采用短距绕组，节距/极距=5/6，输出绕组也采用短距绕组，节距/极距=11/12。

Description

一种用于24脉波整流的圆形移相变压器

技术领域

本实用新型涉及一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，属电力行业变压器设备技术领域。

背景技术

移相变压器广泛用于电能变换技术。在多相脉波整流中，移相变压器将一组对称三相正弦电压分解为多组移相的三相电压再进一步整流。采用多相整流器能提高脉动频率，能使输出直流电压纹波系数降低，提高功率因数，并使逆变器输入电流波更接近正弦，减轻高次谐波对电网的影响，因此可同时提高输入输出性能。整流电路的多相输入电压通常是通过移相整流变压器获得的，常见的移相整流变压器能把三相电压变为6、9、12等相数。移相变压器多为三心柱结构，1991三菱公司提出了一种6相铁心的移相变压器用于三相电压的30°相移（U.S.Patent,№.5003277），但多相铁心移相变压器结构复杂，加工难度大，绕组、铁心利用率低，目前较少应用。

三心柱结构移相变压器较为常见的绕组为Y/YD结构，一次侧为Y连接，二次侧两套三相绕组分别采用Y、D连接，能实现30°相移，可用于12脉波的整流和消除5、7次等谐波的逆变。为保证二次侧具有相同的额定电压，两套绕组匝比为1：，但实现准确匝比是不可能的，可采用11：19、15：26等近似匝比，但会造成电流不均衡问题。要实现更好的电能变换，则需提高二次侧三相绕组的组数，并使相移角更小。例如利用延边三角形移相原理，使二次4套三相绕组分别采用三角形和星形混合连接，绕组间可获得15°相移；4套三相绕组再满足一定的匝比关系时，可获得相同的额定电压。除了选择Y、D连接方式，通过设计曲折连接也可以达到移相目的。目前，ABB、Siemens等国外公司和国内数家电气公司提供该类变压器产品。1989年，D. A. Paice利用自耦变压器的电路传导和电磁传导的特点，针对12脉波整流提出了自耦拓扑结构的移相变压器（U.S.Patent,№.4876634），使设计容量明显减小并降低制造成本。这种变压器铁心仍采用三心柱结构，有3个主绕组和若干辅助绕组。1996年，有人进一步提出了用于18脉波整流的自耦移相变压器（U.S.Patent,№.5543771）。2001年，D.Zhou. 提出了用于12相24脉波整流的自耦移相变压器（U.S.Patent,№.6198647,6335872。对于这种变压器的性能分析和改进的研究在国内外一直没有中断，如美国专利U.S.Patent,№.6982884，0186749A1,0251935等。但随相数增加，此类变压器设计难度变大，性能改善不明显等问题。因此，通过改进移相变压器的电磁结构，从而减少体积重量、降低设计和制造成本、提高相数改善整流和逆变的输入输出波形、提高运行效率，对广泛应用于大容量电能变换的多脉波整流技术的改进具有重要意义。

发明内容

本实用新型的目的是针对背景技术所述不足，设计一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，利用该变压器可把一次侧三相正弦交流转换为二次侧4组分别移相15°的三相电压，铁心内的磁场接近圆形旋转磁场，消除了5、7、11、13次谐波磁动势，输入交流三相电流中也不含5、7、11、13次谐波，电网侧电流的波形得以改善。

本实用新型的技术方案是：一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，包括内部铁芯、外部铁芯、输入绕组和输出绕组；其特征在于：所述内部铁芯呈圆柱状、外部铁芯呈圆环状，内、外铁芯同心，所述呈圆柱状内部铁芯位于呈圆环状外部铁芯中间，内、外铁芯之间有设定间距的气隙，气隙内填充有固定内、外部铁芯相对位置的树脂胶；所述内部铁芯外表面开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的三相输入绕组，槽口与输入绕组之间插入槽楔；所述外部铁芯的内表面也开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的四套三相输出绕组，槽口与输出绕组之间插入槽楔，四套三相输出绕组的空间位置依次相移15°；所述内部铁芯槽口与外部铁芯槽口对齐；所述三相输入绕组采用短距绕组，设定节距/极距=5/6，所述四套三相输出绕组也采用短距绕组，设定节距/极距=11/12。

如上所述的的用于24脉波整流的圆形移相变压器，其特征在于：所述内、外部铁芯之间气隙间距为0.2mm。

本实用新型24脉波整流的圆形移相变压器的工作原理是：

1、生成4Y移15°电压原理。采用圆形铁心结构，合成磁动势内的5、7、11、13次谐波磁动势消除，使铁心内的磁场接近圆形旋转磁场，当圆形磁场旋转切割4套三相绕组时，根据电机理论，产生的电动势分别为：

因而输出电压波形如附图5所示。

2、改善输入电流波形的原理。如果负载为感性，则每个三相桥整流模块的输出电流可认为是稳定直流I_d，而输入电流为包含5、7等次谐波的交流电流，其中，第一模块中的a1相电流为：

根据绕组间的相位关系，可以得到其它各绕组的电流表达式。

根据磁动势合成理论，得到圆形变压器输出的4Y移15°绕组的合成磁动势的矢量形式为:

结果表明，输出绕组的合成磁动势由基波磁动势F₂和谐波磁动势F_2.23、F_2.25构成，而5、7、11、13谐波磁动势消失。

根据磁动势平衡理论，当变压器负载后，输入侧绕组合成磁动势F₁和输出绕组的合成磁动势F₂趋于平衡，即F₁≈F₂，因此F₁中不再含有5、7、11、13谐波磁动势，可以证明输入的ABC三相电流中也不含有此类谐波，其中A相电流为:

，因此，电网侧电流的波形得以改善。

本实用新型的有益效果是：

1、由于圆形变压器采用旋转磁场，相对于每个铁心内磁场独立脉振变化的三铁心柱式变压器，圆形变压器的磁路结构更为紧凑。

2、平面磁路结构的三铁心柱式变压器的磁路是不对称的，而圆形变压器理论上可使磁路完全对称，从而改善空载特性。

3、普通移相变压器设计匝比采用近似值的理论匝比，当相数达到12相或整流脉波目达到24时，设计将非常复杂，误差积累将使变压器电气性能改善不再明显。而本实用新型24脉波整流圆形变压器的同一侧绕组对称分布于同一个圆上，匝数相同，电路连接简单，理论上不受相数限制，因而容易设计和制作。

4、根据生成4Y移15°电压原理。采用本实用新型圆形铁心结构，合成磁动势内的5、7、11、13次谐波磁动势消除，使铁心内的磁场接近圆形旋转磁场，输入交流三相电流中也不含5、7、11、13次谐波，从而使得电网侧电流的波形得以改善。

附图说明

图1为本实用新型24脉波整流圆形变压器结构示意图；

图2为24脉波圆形整流变压器输入绕组空间位置示意图；

图3为24脉波圆形整流变压器输出绕组空间位置示意图；

图4为24脉波圆形整流变压器安装示意图；

图5为24脉波圆形整流变压器输出电压波形示意图；

图6为整流器直流输出电压波形示意图；

图7为24脉波整流圆形变压器电网侧电流波形示意图；

图8为24脉波整流圆形变压器电网侧电流频谱示意图。

图中标记：1—外部铁芯槽，2—输出绕组，3—气隙，4—外部铁芯，5—内部铁芯， 6—输入绕组，7—内部铁芯槽，8—槽楔。

S—三相交流电源，T—24脉波圆形整流变压器，K—开关，R1～R4—三相全桥整流模块，L—直流负载（或可控逆变系统），A、B、C—变压器三相输入端（工作频率50Hz），C1—直流输出侧平波电容，a1、b1、c1—变压器的第一组三相输出，a2、b2、c2—变压器的第一组三相输出，a3、b3、c3—变压器的第一组三相输出，a4、b4、c4—变压器的第一组三相输出。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示为用于24脉波整流的圆形移相变压器，包括内部铁芯5、外部铁芯4、输入绕组6和输出绕组2；内部铁芯5呈圆饼状、外部铁芯4呈圆环状，内、外铁芯同心，内部铁芯5位于外部铁芯4中间，内、外铁芯之间有间距为0.2mm的气隙3，气隙3内填充有固定内、外部铁芯相对位置的树脂胶；内部铁芯5的外表面开有12个槽7、槽7内嵌放有双层在空间上对称的三相输入绕组6，槽口与输入绕组6之间插入槽楔；外部铁芯4的内表面也开有12个槽1、槽1内嵌放有双层在空间上对称的四套三相输出绕组2，槽口与输出绕组2之间插入槽楔8，四套三相输出绕组2的空间位置依次相移15°。图2为三相交流输入绕组A、B、C相序图，图3为输出绕组相序图，由图可知，a1超前a2，超前角为15°，a2超前a3，超前角为15°，a3超前a4，超前角为15°，其它以此类推。

图1中内部铁芯槽口与外部铁芯槽口对齐；三相输入绕组采用短距绕组，设定节距/极距=5/6，所述四套三相输出绕组也采用短距绕组，设定节距/极距=11/12。

实施例一：根据附图4，将变压器T的第1组输出三相绕组a1、b1、c1与三相全桥整流模块R1相连接，将变压器的第2组输出三相绕组a2、b2、c2与三相全桥整流模块R2相连接，将变压器的第3组输出三相绕组a3、b3、c3与三相全桥整流模块R3相连接，将变压器的第4组输出三相绕组a4、b4、c4与三相全桥整流模块R4相连接，4个整流模块输出电路串联。直流输出经过平波电容C1与负载相接。

当三相开关K闭合，移相变压器以及整流模块等构成的直流电源进入稳定状态后，根据24脉波移相变压器生成4Y移15°电压原理，变压器4组三相绕组将向4个整流模块提供的电压波形如附图5所示，为4组三相对称正弦电压，第二组相位滞后第一组15°，……, 第三组相位滞后第四组15°，根据24脉波移相变压器改善输入电流波形的原理，三相输入绕组的电流，即为电网侧的电流，其波形如附图7所示，而4个整流模块串联输出的电压波形如附图6所示，图7表明，在一个电周期，纹波数量为24个。

24脉波整流圆形变压器的性能特点：

1. 圆形变压器采用旋转磁场，相比较每个铁心内磁场独立脉振变化的三铁心柱式变压器，其磁路结构更为紧凑。

2. 由于平面磁路结构的三铁心柱式变压器的磁路是不对称的，而圆形变压器理论上可使磁路完全对称，从而改善空载特性。

3.普通移相变压器设计匝比采用近似值的理论匝比，当相数达到12相或整流脉波目达到24时，设计将非常复杂，误差积累将使变压器电气性能改善不再明显。而本发明的24脉波整流圆形变压器由于同一侧绕组对称分布于同一个圆上，匝数相同，电路连接简单，理论上不受相数限制，因而容易设计和制作。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和测量效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，包括内部铁芯、外部铁芯、输入绕组和输出绕组；其特征在于：所述内部铁芯呈圆柱状、外部铁芯呈圆环状，内、外铁芯同心，所述呈圆柱状内部铁芯位于呈圆环状外部铁芯中间，内、外铁芯之间有设定间距的气隙，气隙内填充有固定内、外部铁芯相对位置的树脂胶；所述内部铁芯外表面开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的三相输入绕组，槽口与输入绕组之间插入槽楔；所述外部铁芯的内表面也开有12个槽、槽内嵌放有双层在空间上对称的四套三相输出绕组，槽口与输出绕组之间插入槽楔，四套三相输出绕组的空间位置依次相移15°；所述内部铁芯槽口与外部铁芯槽口对齐；所述三相输入绕组采用短距绕组，设定节距/极距=5/6，所述四套三相输出绕组也采用短距绕组，设定节距/极距=11/12。

2.如权利要求1所述的一种用于24脉波整流的圆形移相变压器，其特征在于：所述内、外部铁芯之间气隙间距为0.2mm。