CN209544130U - 三相变九相升压降压自耦移相变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种三相变九相降压自耦移相变压器，包括有三个铁芯柱（A₁、B₁、C₁），对应于每一个铁芯柱其上还分别设置有7个线圈；其中，铁芯柱A1上有*A₁ a₃、*a₃ a'₂、*a'₂ b'₁、*b'₁ b₃、*B₁B、*c₂c'₂、*c'₁c₁7个线圈_，铁芯柱B₁上有*B₁ b₃、*b₃ b'₂、*b'₂ c'₁、*c'₁c₃、*C₁C、*a₂ a'₂、*a'₁ a₁7个线圈_，铁芯柱C₁上有*C₁ c₃、*c₃ c'₂、*c'₂ a'₁、*a'₁ a₃、*A₁ A、*b₂ b'₂、*b'₁ b₁7个线圈，其中，*为线圈的同名端；不同铁芯上的相同端子跳线联结，三个高压端子A、B、C连接外网，九个端子a₁，b₁，c₁、a₂，b₂，c₂、a₃，b₃，c₃形成二次低压侧出线端子；本实用新型的方案具有二次侧三组绕组的（20°，0，20°）附加绕组匝数更少、对称性更好、合成磁势更接近正弦波的优势，一次绕组侧的电流低次谐波削弱效果好。

Description

三相变九相升压降压自耦移相变压器

技术领域

本发明涉及AC变DC的功率变换器，具体涉及AC变DC的功率变换器中的三相变九相升压及降压自耦移相变压器。

背景技术

随着整流功率等级的提升，多脉波整流电路已经广泛应用于电力电子、电机驱动、飞机变流系统、高压直流输电等领域。高频PWM整流虽然可以使输入电流接近正弦波，但成本高，开关损耗大，效率不高，限制了PWM整流在大功率场合的应用。以移相变压器加不控整流技术为代表的多脉波整流技术能够有效地减小输入侧谐波电流，并且具有效率高，过载能力强等优点，得到广泛研究。

隔离结构的移相变压器的一次侧有一个绕组，二次侧设计有三个绕组而且它们的线电压相等则二次侧的绕组之间彼此相移20°，即它的二次侧第二绕组电压相量与一次绕组电压相量同相位，二次侧第一绕组电压相量超前第二绕组电压相量20°二次侧第三绕组电压相量滞后第二绕组电压相量20°。这三个绕组的输出整流电路可以串联（或并联）后接直流负载。采用这种三重化联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压（或电流）纹波幅值。传统多脉波整流技术以上述隔离式移相变压器为基础，通过对二次侧多重化，达到多脉波目的，尤其是18脉波整流电路已经应用到工业生产中，但是其等效容量为输出功率的1.03倍，这造成整流电路体积过于庞大，不利于设备小型化轻量化。对于一些一次二次绕组额定电压值相近的自耦结构的移相变压器，其设计容量只有隔离结构移相变压器的10%左右，从而可以大大降低制造成本。

就三相变九相升压、降压自耦移相变压器设计方案，应该尽量达到隔离结构三重化联结绕组的要求：三个二次绕组的线电压相等，在设计上让相位依次相差20°电气角度；二次侧—20°绕组与20°绕组关于其0°绕组轴线对称，这样它一次绕组侧的电流低次谐波就会大大地削弱，可以接近隔离移相变三重化联结的效果。例如美国专利2011/0051480A1 ,如图1所示，虽然三个二次绕组在设计上依次相差20°电气角度，每个铁芯柱有六个线圈，但二次侧第一自耦绕组A（B,C）相部分与第三自耦绕组A（B,C）相部分关于第二绕组A（B,C）相的轴线在实际应用中并不严格对称，导致实际应用中一次绕组侧的电流低次谐波削弱效果也不好。

发明内容

本发明首先提供一种三相变九相降压自耦移相变压器设计方案，包括有三个铁芯柱（A1、B1、C1），其特征在于：

对应于每一个铁芯柱其上分别设置有7个线圈；其=中，铁芯柱A1上有*A1 a3、*a3a'2、*a'2 b'1、*b'1 b3、*B1B、*c2c'2、*c'1c17个线圈，铁芯柱B1上有*B1 b3、*b3 b'2、*b'2 c'1、*c'1c3、*C1C、*a2 a'2、*a'1 a17个线圈，铁芯柱C1上有*C1 c3、*c3 c'2、*c'2 a'1、*a'1 a3、*A1 A、*b2 b'2、*b'1 b17个线圈（*为线圈的同名端），不同铁芯上的相同端子跳线联结，三个高压端子A、B、C连接外网，九个端子a1，b1，c1、a2，b2，c2、a3，b3，c3形成二次低压侧出线端子；

线圈匝数A1b3+B1B=B1c3+C1C=C1a3+A1A且为整数，线圈匝数a1 a'1= a2 a'2 =b1 b'1= b2b'2 = c1 c'1= c2c'2 且为整数，线圈匝数a3 a'1= a3 a'2= b3 b'1= b3 b'2= c3 c'1= c3 c'2，线圈匝数A1 a3= B1 b3= C1c3，线圈匝数A1 A = B1B= C1C。

其次，本发明还提供一种三相变九相升压自耦移相变压器，包括有三个铁芯柱（A1、B1、C1），其特征在于：

对应于每一个铁芯柱其上分别设置有7个线圈；其中，铁芯柱A1上有*A1 A、*A B、*B1 b3 、*c'2 C、*C c'1、*a1 a'1、*b'2 b2 7个线圈，铁芯柱B1上有*B1 B、*B C、*C1 c3、*a'2 A、*A a'1、*b1 b'1、*c'2 c2 7个线圈，铁芯柱C1上有*C1 C、*C A、*A1 a3、*b'2 B、*Bb'1、*c1 c'1、*a'2 a2 7个线圈（*为线圈的同名端）；不同铁芯上的相同端子跳线联结，三个低压端子A、B、C连接外网，九个端子a1，b1，c1、a2，b2，c2、a3，b3，c3形成二次高压侧出线端子；

线圈匝数A1B+B1b3=B1C+C1c3=C1A+A1a3且为整数，线圈匝数c'1 C=Cc'2= a'1A=Aa'2=b'1B=Bb'2且为整数，线圈匝数A1A=B1B= C1C，线圈匝数A1a3= B1 b3 =C1 c3，线圈匝数a1 a'1= a2 a'2 = b1 b'1 = b2b'2= c1 c'1= c2 c'2 。

根据上述技术方案及其所绘制的矢量图可以得知，二次侧绕组在设计上依次位移20°电气角度。即二次侧20°绕组与20°绕组关于其0°绕组轴线对称，因此20°电压向量与20°电压向量关于其0°绕组电压向量对称。此方案具有二次侧三组绕组的（20°，0，20°）附加绕组匝数更少、对称性更好、合成磁势更接近正弦波的优势，一次绕组侧的电流低次谐波削弱效果好。

由于本发明具有上述特点和优点，为此可以用于三相变九相降压或升压自耦移相变压器产品中。

附图说明

附图1是现有美国专利技术所披露的三相变九相自耦移相变压器的电压相量示意图；

附图2是本发明中三相变九相降压自耦移相变压器的电压相量示意图；

附图3是本发明中三相变九相降压自耦移相变压器的线圈联结示意图；

附图4是本发明中三相变九相升压自耦移相变压器的电压相量示意图；

附图5是本发明中三相变九相升压自耦移相变压器的线圈联结示意图；

附图6是本发明中的AC/DC 功率变换系统的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对应用本发明技术方案的三相变九相降压或升压自耦移相变压器产品的结构、电压相位矢量图等作出具体说明。

第一种，一种三相变九相降压自耦移相变压器：电压相量图如图2所示，图2中的粗实线代表线匝分布和联接，图2中的细实线代表电压相量。

0A表示一次侧绕组的A相相电压，Oa1、 Oa2、Oa3表示二次侧三个绕组的a1相、a2相、a3相相电压。OA和Oa3同相位，Oa1超前Oa3 20°，Oa2滞后Oa320°，Oa1与Oa2对应的线圈关于0A完全对称，0a3与0A重合，其它相也做同样的安排。

如图2所示，相量图作图步骤：作低压侧相电压相量Oa3、Ob3、Oc3，则a3、b3、c3 为低压线电压三角形，作Oa1超前Oa3 20°，作Oa2滞后Oa3 20°，且电压相量Oa1 =Oa2 =Oa3 。作线圈 //b3c3且。延长电压相量Oa3至A，OA为输入侧的相电压，作AA1//c3a3且与a3c3的延长线交于A1；同理可以分别作出B相、C相的线圈图和电压相量图。

在图2中，线圈匝数A1b3+B1B= B1c3+C1 C=C1a3+A1A且为整数，线圈匝数a1 a'1=a2 a'2= b1 b'1= b2 b'2 = c1 c'1 = c2 c'2 且为整数。

线圈匝数a3a'1=a3a'2=b3b'1=b3b'2=c3c'1=c3c'2，线圈匝数A1a3=B1b3=C1 c3=A1A=B1B=C1C，并且这些线圈匝数可以是整数，也可以是分数，可以根据绕线末端的出线位置具体调整。

如图2所示，就一个相电压有效值分析：

A1A= (0A﹣0 a3 )/√3

a'1 a3=2/3（0 a3﹣0 a1 cos( β )）

a'1 a1=0 a1sin( β )﹣a'1 a3 /2

a'1 c'2=√30 a1﹣2 a'1 a3

其中β为0 a3分别与0 a1、0 a2的夹角，也为移相角，设计取值为20°。0 a1相对于0a3超前β，0 a2相对于0 a3滞后β，0 a3与0A同相位。由上述公式可以推出一次侧相电压有效值0A、二次侧相电压有效值0 a1，与各支路电压有效值、移相角β关系。

从图2所示的向量图关系可以知道，电压矢量幅值（有效值）a'1 a1= a'2a2=b'1b1= b'2 b1= c'2 c2= c'1 c1 ; A1A= A1 a3= B1B= B1b3=C1C= C1 c3 ; a'1a3= a'2 a3= b'1 b3= b'2 b3= c'2 c3= c'1c3 ; a'1c'2= c'1b'2=b'1a'2 。

图3表示的铁芯柱A1，B1，C1构成三相芯式铁芯柱，每个铁芯柱上设置有7个线圈。其中，铁芯柱A1上有7个线圈：A1 a3，a3 a'2，a'2 b'1，b'1 b3，B1B，c2c'2，c'1 c1；铁芯柱B1上有7个线圈：B1 b3，b3 b'2 ，b'2 c'1，c'1 c3，C1C ，a2a'2 ，a'1 a1；铁芯柱C1上有7个线圈：C1 c3，c3 c'2，c'2 a'1，a'1 a3，A1A，b2 b'2，b'1 b1。为此，铁芯柱A1，B1，C1上共21个线圈，所有的线圈同名端在如图3中用“*”标示，线圈联结时要严格遵守。

如图3所示，不同铁芯上的相同端子跳线联结，具体为：

在铁芯柱A1上的端子c'2与铁芯柱C1上的端子c'2联结；

在铁芯柱A1 上的端子c'1与铁芯柱B1上的端子c'1联结；

在铁芯柱A1上的端子B1与铁芯柱B1上的端子B1联结；

在铁芯柱B1上的端子a'2与铁芯柱A1上的端子a'2联结；

在铁芯柱B1上的端子a'1与铁芯柱C1上的端子a'1联结；

在铁芯柱B1上的端子C1与铁芯柱C1上的端子C1联结；

在铁芯柱C1上的端子b'2与铁芯柱B1上的端子b'2联结；

在铁芯柱C1上的端子b'1与铁芯柱A1上的端子b'1联结；

在铁芯柱C1上的端子A1与铁芯柱A1上的端子A1联结。

其中，铁芯柱A1上有主线圈a3b3，铁芯柱B1上有主线圈b3c3，铁芯柱C1上有主线圈c3a3，这3个线圈构成变压器的主三角形线圈组，高压侧三相端子标记为A, B, C连接外网；二次低压侧九相端子标记为a1，b1，c1；a2，b2，c2；a3，b3，c3，输出端分别连接整流桥。图3线圈联结图与图2相量图是一致的，根据上述的绕组结构也可以绘制如图2所示的向量图。

为此，当设计或得知一次侧输入电压有效值、二次侧输出电压有效值后，可以确定各支路匝数之间的比例，根据实际需要选择合适的基底匝数，确定各支路具体匝数，移相角的选择由输入侧电流谐波消除效果来确定。根据上述的相量图及所建立的线路图，在一个产品样板中，例如在输入电压444 V、输出电压427 V、铁芯柱宽75 mm、铁芯柱厚125 mm、铁芯柱窗高145 mm、铁芯柱窗宽110 mm、硅钢片27 Q120、绕组匝数a'2 b'1=139匝；c2 c'2=27匝；c'1c1=27匝、a3 a'2=6匝；b'1 b3=6匝；B1B=2匝，A1a3=2匝，输出功率为60kW的工况下，不仅实际测量得到的相移角β为20.12°≈20°而且输入电流中除含有少量的17次、19次谐波外，其他谐波基本被消除，实际测得THD（谐波失真率）仅为6.98%。

第二种，一种三相变九相升压自耦移相变压器，电压向量图如图4所示，图4中的粗实线代表线匝分布和联接，图4中的细实线代表电压相量。下面主要披露与第一种降压变压器的主要不同部分。

如图4所示，相量图作图步骤：作输入低压侧相电压相量OA、OB、OC则A、B、C为低压线电压三角形，延长电压相量OA至超前Oa3 , Oa3为高压输出侧的相电压，作Oa1超前于Oa320°，作Oa2滞后于Oa3 20°且电压相量Oa1 =Oa2 =Oa3 。作电压相量a1 a'1//AB；a2 a'2//CA；且a1a'1= a2a'2。作线圈a3 A1//CA与AB延长线交于A1。同理可以分别作出B相、C相的线圈图和电压相量图。

在图4中，线圈匝数A1B+ B1 b3= B1C+ C1 c3= C1 A+A1a3且为整数，线圈匝数c'1C=C c'2= a'1A=A a'2= b'1B=B b'2且为整数。

线圈匝数A1A=B1B=C1C=A1a3=B1b3=C1c3，线圈匝数a1 a'1= a2 a'2= b1 b'1= b2b'2= c1 c'1= c2 c'2，并且这些线圈匝数可以是整数，也可以是分数，可以根据绕线末端的出线位置具体调整。

图5表示的铁芯柱A1，B1，C1构成三相心式铁芯柱，每个铁芯柱上设置有7个线圈。

铁芯柱A1上有7个线圈：A1A，AB，B1 b3，c'2 C，C c'1，a1 a'1，b'2b2 ；

铁芯柱B1上有7个线圈：B1 B，BC，C1 c3，a'2 A，A a'1，b1 b'1，c'2c2 ；

铁芯柱C1上有7个线圈：C1 C，CA，A1a3，b'2 B，B b'1，c1 c'1，a'2a2 ；

铁芯柱A1，B1，C1上共21个线圈，所有的线圈同名端在如图5中用“*”标示，线圈联结时要严格遵守。

在图5中，不同铁芯上的相同端子跳线联结，具体为：

在铁芯柱A1上的端子B1与铁芯柱B1上的端子B1联结；

在铁芯柱A1上的端子c'2与铁芯柱B1上的端子c'2联结；

在铁芯柱A1 上的端子c'1与铁芯柱C1上的端子c'1联结；

在铁芯柱A1上的端子a'1与铁芯柱B1上的端子a'1联结；

在铁芯柱A1上的端子b'2与铁芯柱C1上的端子b'2联结；

在铁芯柱A1 上的端子C与铁芯柱C1上的端子C联结；

在铁芯柱B1上的端子C1与铁芯柱C1上的端子C1联结；

在铁芯柱B1上的端子a'2与铁芯柱C1上的端子a'2联结；

在铁芯柱B1上的端子b'1与铁芯柱C1上的端子b'1联结；

在铁芯柱B1上的端子A与铁芯柱A1上的端子A联结；

在铁芯柱C1上的端子A1与铁芯柱A1上的端子A1联结；

在铁芯柱C1上的端子B与铁芯柱B1上的端子B联结；

铁芯柱A1上有主线圈AB，铁芯柱B1上有主线圈BC，铁芯柱C1上有主线圈CA，这3个线圈构成变压器的主三角形线圈，低压侧端子标记为A、 B、 C连接外网，二次高压侧的九相端子标记为a1，b1，c1；a2，b2，c2；a3，b3，c3，输出端分别连接整流桥。图5线圈联结图与图4相量图是一致的，根据上述的绕组结构也可以绘制如图4所示的向量图。

如图6所示，将降压或升压自耦变压器的二次侧端子a1b1c1，a2b2c2，a3b3c3的出线各联结一个三相整流桥，其直流输出端经共模电抗器后并联，接到直流负载上。自耦变压器的一次侧的三个端子A,B,C接到电网上，就可实现AC变DC的功率变换，且一次侧的电流低次谐波削弱效果好。

Claims (4)

1.三相变九相降压自耦移相变压器，包括有三个铁芯柱（A₁、B₁、C₁），其特征在于，对应于每一个铁芯柱其上还分别设置有7个线圈；其中，铁芯柱A1上有*A₁ a₃、*a₃ a'₂、*a'₂ b'₁、*b'₁ b₃、*B₁B、*c₂c'₂、*c'₁c₁7个线圈_，铁芯柱B₁上有*B₁ b₃、*b₃ b'₂、*b'₂ c'₁、*c'₁c₃、*C₁C、*a₂ a'₂、*a'₁ a₁7个线圈_，铁芯柱C₁上有*C₁ c₃、*c₃ c'₂、*c'₂ a'₁、*a'₁ a₃、*A₁ A、*b₂ b'₂、*b'₁ b₁7个线圈，其中，*为线圈的同名端；不同铁芯上的相同端子跳线联结，三个高压端子A、B、C连接外网，九个端子a₁，b₁，c₁、a₂，b₂，c₂、a₃，b₃，c₃形成二次低压侧出线端子；

线圈匝数A₁b₃+B₁B=B₁c₃+C₁C=C₁a₃+A₁A且为整数，线圈匝数a₁a'₁= a₂a'₂= b₁b'₁=b₂b'₂=c₁c'₁=c₂c'₂且为整数，线圈匝数a₃a'₁=a₃a'₂ =b₃b'₁=b₃b'₂=c₃c'₁=c₃c'₂，线圈匝数A₁ a₃= B₁b₃= C₁ c₃=A₁A= B₁B= C₁C。

2.根据权利要求1所述的三相变九相降压自耦移相变压器，其特征在于，将自耦变压器的二次侧三组端子a₁，b₁，c₁、a₂，b₂，c₂、a₃，b₃，c₃各联结一个三相整流桥，再经共模电抗器后并联。

3.三相变九相升压自耦移相变压器，包括有三个铁芯柱（A₁、B₁、C₁），其特征在于，对应于每一个铁芯柱其上还分别设置有7个线圈；其中，铁芯柱A₁上有*A₁ A、*A B、*B₁ b₃ 、*c'₂ C、*C c'₁、*a₁ a'₁、*b'₂ b₂ 7个线圈，铁芯柱B₁上有*B₁ B、*B C、*C₁ c₃、*a'₂ A、*A a'₁、*b₁ b'₁、*c'₂ c₂ 7个线圈_，铁芯柱C₁上有*C₁ C、*C A、*A₁ a₃、*b'₂ B、*B b'₁、*c₁ c'₁、*a'₂ a₂ 7个线圈，其中，*为线圈的同名端；不同铁芯上的相同端子跳线联结，三个低压端子A、B、C连接外网，九个端子a₁，b₁，c₁、a₂，b₂，c₂、a₃，b₃，c₃形成二次高压侧出线端子；

线圈匝数A₁B+B₁b₃=B₁C+C₁c₃=C₁A+A₁a₃且为整数，线圈匝数c'₁C =C c'₂ = a'₁ A=A a'₂=b'₁ B=B b'₂且为整数，线圈匝数A₁ A= B₁ B=C₁ C= A₁ a₃= B₁ b₃ =C₁ c₃，线圈匝数a₁ a'₁=a₂a'₂ = b₁ b'₁= b₂b'₂ =c₁ c'₁= c₂c'₂ 。

4.根据权利要求3所述的三相变九相升压自耦移相变压器，其特征在于，将自耦变压器的二次侧三组端子a₁，b₁，c₁、a₂，b₂，c₂、a₃，b₃，c₃各联结一个三相整流桥，再经共模电抗器后并联。