CN216212656U - 三相四框型三倍频变压器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种三相四框型三倍频变压器，包括四个分框铁芯，还包括三个一次绕组与三个二次绕组，三个一次绕组分别缠绕在四个分框铁芯相邻的芯柱上，三个二次绕组分别缠绕于四个分框铁芯中相邻的三个分框铁芯的同一侧横轭上，三个一次绕组相连后连接至三相端，三个二次绕组相连后连接单相端，单相端的电压频率为三相端的电压频率的三倍，避免了各分框铁芯工作在高度饱和状态，也无需限定一次绕组的联结方式，实现了二次绕组的的三倍频电压输出，且励磁电流小、效率更高。

Description

三相四框型三倍频变压器

技术领域

本申请涉及变压器技术领域，特别是涉及一种三相四框型三倍频变压器。

背景技术

三倍频变压器是利用铁磁材料的非线性及饱和特性以及绕组的特殊连接，从而使变压器产生丰富的三次谐波，利用三次谐波形成三倍频电压。铁磁性三倍频变压器在变压器与电压互感器等设备的试验、分频输电系统中得到了广泛应用。

现有技术中为了实现三倍频变压器，大多采用三个磁路长度相等的单相变压器组成，一次绕组为星形联结，二次绕组为开口三角形联结，铁芯在高度饱和状态下运行存在励磁电流大且效率低等问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有三倍频变压器励磁电流大且效率低的问题，提供一种三相四框型三倍频变压器。

一种三相四框型三倍频变压器，包括：铁芯与绕组，所述铁芯包括第一分框铁芯、第二分框铁芯、第三分框铁芯与第四分框铁芯，所述第一分框铁芯与所述第二分框铁芯相邻处合并为第一芯柱，所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯相邻处合并为第二芯柱，所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯相邻处合并为第三芯柱；

所述绕组包括三个一次绕组与三个二次绕组，三个所述一次绕组分别缠绕在所述第一芯柱、所述第二芯柱以及所述第三芯柱，三个所述二次绕组分别缠绕于所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯中相邻三个分框铁芯的同一侧横轭上，三个所述一次绕组相连后连接至三相端，所述三个二次绕组相连后连接至单相端，所述单相端的电压频率是所述三相端的电压频率的三倍。

在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯均为矩形分框铁芯，呈一字排列于同一平面上。

在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯的面积相等。

在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯相邻的芯柱间采用等距离气隙分隔。

在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯为卷铁芯或叠铁芯。

在其中一个实施例中，三个所述一次绕组的连接方式为Y连接、D连接或 YN连接。

在其中一个实施例中，三个所述一次绕组在所述铁芯上缠绕方向相同。

在其中一个实施例中，三个所述二次绕组的连接方式为开口三角形连接。

在其中一个实施例中，三个所述二次绕组在所述铁芯上的缠绕方向相同。

在其中一个实施例中，还包括三个调压绕组，三个所述调压绕组分别连接三个所述二次绕组，三个所述调压绕组缠绕在所述分框铁芯的横轭上。

上述三相四框型三倍频变压器，铁芯包括四个分框铁芯，三个一次绕组缠绕在各分框铁芯相邻的芯柱上，三个二次绕组缠绕在其中三个相邻分框铁芯同一侧的横轭上，三个一次绕组相连后连接至三相端，三个二次绕组相连后连接至单相端，无需限定一次绕组的联结方式，避免各分框铁芯工作在高度饱和状态，实现了二次绕组的三倍频电压输出，且励磁电流小、效率更高。

附图说明

图1为一实施例中三相四框型三倍频变压器的结构图；

图2为一实施例中三个一次绕组的接线图；

图3为另一实施例中三个一次绕组的接线图；

图4为另一实施例中三个一次绕组的接线图；

图5为一实施例中三个二次绕组的接线图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在一个实施例中，如图1所示，提供一种三相四框型三倍频变压器，包括：铁芯与绕组，铁芯包括第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13 与第四分框铁芯14，第一分框铁芯11与第二分框铁芯12相邻处合并为第一芯柱，第二分框铁芯12与第三分框铁芯13相邻处合并为第二芯柱，第三分框铁芯13与第四分框铁芯14相邻处合并为第三芯柱；绕组包括三个一次绕组(21、 22、23)与三个二次绕组(31、32、33)，三个一次绕组(21、22、23)分别缠绕在第一芯柱、第二芯柱以及第三芯柱，三个二次绕组(31、32、33)分别缠绕于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14 中相邻三个分框铁芯的同一侧横轭上，三个一次绕组(21、22、23)相连后连接至三相端，三个二次绕组(31、32、33)相连后连接至单相端，单相端的电压频率是三相端的电压频率的三倍。

具体地，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14为四个四边形的分框铁芯，均包括上下横轭以及左右立柱。可选地，各分框铁芯通过立柱边相邻排列，或者通过横轭边相邻排列。在本实施例中，以各分框铁芯通过立柱边相邻排列为例进行解释说明，第一分框铁芯11与第二分框铁芯12相邻的两条立柱合并为第一芯柱，第二分框铁芯12与第三分框铁芯13相邻的两条立柱合并为第二芯柱，第三分框铁芯13与第四分框铁芯14相邻的两条立柱合并为第三芯柱。其中，各分框铁芯的尺寸需保持一致，包括横轭的宽度与横截面积均相同，立柱的长度与横截面积也相同，可选地，各分框铁芯的横轭的宽度可以与各分框铁芯的立柱的长度相等，各分框铁芯的横轭的宽度也可以小于各分框铁芯的立柱的长度，各分框铁芯的横轭的宽度还可以大于各分框铁芯的立柱的长度，不以此为限定。

进一步地，绕组包括连接三相端的三个一次绕组，以及连接单相端的三个二次绕组，其中，三个一次绕组连接的三相端既可以作为电源输入端，也可以作为电源输出端，对应地，三个二次绕组连接的单相端也既可以作为电源输入端，也可以作为电源输出端。可以理解，在三个一次绕组与三个二次绕组匝数比固定的情况下，本申请的三倍频变压器可以作为降压变压器使用，也可以作为升压变压器使用。具体地，三个一次绕组包括A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23，三个二次绕组包括a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33。

其中，三个一次绕组分别缠绕在第一芯柱、第二芯柱以及第三芯柱，A相一次绕组21缠绕在第一芯柱，B相一次绕组22缠绕在第二芯柱，C相一次绕组 23缠绕在第三芯柱，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23 具有同样的缠绕方向，且采用同相同极性连接于三相端。例如，假定各一次绕组缠绕的各芯柱内磁通的正方向均为由下往上，各分框铁芯内流过的磁通的正方向均为逆时针方向。可以理解，由于三相电源的三个输入相位相差120°，则可使得各分框铁芯中的三相基波得以抵消。另外，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23缠绕的匝数相同，且采用的材料也相同。可选地，材料可选用铜箔，也可采用电磁线等，不做此限定。

另外，三个二次绕组分别缠绕于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14中相邻三个分框铁芯的同一侧横轭上，可以是缠绕于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13的同一侧横轭上，也可以是缠绕于第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14的同一侧横轭上，可以是同一侧的上横轭，也可以是同一侧的下横轭。在本实施例中，以缠绕于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13的同一侧的上横轭上为例进行解释说明，a相二次绕组31缠绕于第一分框铁芯11的上横轭， b相二次绕组32缠绕于第二分框铁芯12的上横轭，c相二次绕组33缠绕于第三分框铁芯13的上横轭。同样地，a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33也具有同样的缠绕方向，且可采用同相同极性串联或并联后，连接单相端。且此时，由于各分框铁芯内的三相基波抵消，单相端的电压频率是三相端的电压频率的三倍，即二次绕组的电压频率是一次绕组的电压频率的三倍。另外，a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33缠绕的匝数相同，且采用的材料也相同。可选地，材料可选用铜箔，也可采用电磁线等，不做此限定。

以下以图1所示的三相四框型三倍频变压器结构图为例对其工作原理进行解释说明。假定穿过A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23 的磁通，即可理解为穿过相邻两个分框铁芯的合成磁通，分别为φ_A(t)、φ_B(t)和φ_C(t)，其根据缠绕方向及通电产生的磁通方向假定如图2中标注方向所示；穿过a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33的磁通，即可理解为穿过各分框铁芯的磁通，分别为φ_a(t)、φ_b(t)和φ_c(t)，其根据缠绕方向及通电产生的磁通方向假定如图2中标注方向所示，则由磁路基尔霍夫定律，可得：

由于各分框铁芯采用的铁磁材料具有的非线性的特点，导致穿过各分框铁芯的磁通φ_a(t)、φ_b(t)和φ_c(t)中，除了含有基波分量外，还含有3、9、15…等零序性奇次谐波，且主要以3次谐波为主，其他的高次谐波可忽略不计。那么，假设穿过各分框铁芯的磁通φ_a(t)、φ_b(t)和φ_c(t)分别为：

φ_a(t)＝φ_msin(ωt)+kφ_msin(3ωt+θ) (2)

其中，φ_m为穿过各分框铁芯的磁通φ_a(t)、φ_b(t)和φ_c(t)中基波磁通的幅值，ω为角频率，θ为初相角；另外，k为穿过各分框铁芯的磁通φ_a(t)、φ_b(t)和φ_c(t)中3 次谐波的含有率。

然后，由于三个二次绕组采用开口三角形联结方式，其两端感应电压u₂等于穿过a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33的磁链和的导数，即根据式(2)、式(3)和式(4)可得：

式中，n₂为a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33的匝数。

然后，由于各分框铁芯中的三相的基波可以互相抵消，可得：

u₂＝3kφ_mn₂sin(3ωt+θ)/dt (6)

对式(6)求导可得：

u₂＝9kφ_mn₂cos(3ωt+θ) (7)

由式(7)可知，三个二次绕组两端的感应电压u₂的频率为一次绕组两端的电压的频率的三倍，实现了三倍频变压器。

上述三相四框型三倍频变压器，铁芯包括四个分框铁芯，三个一次绕组缠绕在各分框铁芯相邻的芯柱上，三个二次绕组缠绕在其中三个相邻分框铁芯同一侧的横轭上，三个一次绕组相连后连接至三相端，三个二次绕组相连后连接至单相端，无需限定一次绕组的联结方式，避免各分框铁芯工作在高度饱和状态，实现了二次绕组的三倍频电压输出，且励磁电流小、效率更高。

在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14均为矩形分框铁芯，呈一字排列于同一平面上。

具体地，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14的横轭的宽度均大于其立柱的长度，且第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14的横轭与其立柱之间的夹角均为直角，即第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14均为矩形分框铁芯。各矩形分框铁芯通过其立柱边拼接于同一平面上呈一字排列。

在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14的面积相等。具体地，由于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14的上下横轭的宽度均相等，且第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14的左右立柱的长度也均相等，所以第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13以及第四分框铁芯14的上下横轭及左右立柱分别围成的面积均相等。

在本实施例中，各分框铁芯在工作时能不持续工作在高饱和状态，提高了三倍频变压器的效率。

在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14为卷铁芯或叠铁芯。具体地，各分框铁芯可以是由铁芯卷绕机将铁芯带材卷制后，经过退火处理而成，也可以是由多个铁芯片叠积，再通过夹紧装置使各铁芯片无缝严合而成。其中，铁芯带材及铁芯片可选择不同的材料，可以是铁氧体、非晶合金、超薄硅钢或纳米晶等磁性材料。在本实施例中，由非线性铁磁材料制成的分框铁芯，可以让分框间产生丰富的零序谐波磁通。

在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14相邻的芯柱间采用等距离气隙分隔。具体地，第一分框铁芯11的左立柱与第二分框铁芯12的右立柱之间、第二分框铁芯12 的左立柱与第三分框铁芯13的右立柱之间、第三分框铁芯13的左立柱与第四分框铁芯14的右立柱之间均采用等距离的气隙进行分隔，即可以理解为，第一芯柱、第二芯柱以及第三芯柱的均具有等距离的气隙。由于气隙的磁阻远大于铁芯片的磁阻，当气隙大于2mm时，可认为相邻的分框铁芯间磁路为开路状态，由此第一分框铁芯11、第二分框铁芯12、第三分框铁芯13与第四分框铁芯14 相邻的芯柱间的气隙大小大于2mm，例如，可采用气隙大小为6mm。在本实施例中，在各分框铁芯的芯柱间采用等距离的气隙分隔，在保持各分框铁芯的磁路对称的前提下，使得各分框铁芯的磁通相互独立。

在一个实施例中，如图2、图3以及图4所示，三个一次绕组(21、22、23) 的连接方式为Y连接、D连接或YN连接。

具体地，三个一次绕组的连接形式并不唯一，可采用Y连接，也可以采用 D连接，还可以采用YN连接。其中，三种连接方式中，A相一次绕组21、B 相一次绕组22以及C相一次绕组23的首端均连接三相电网端。

进一步地，如图2所示为三个一次绕组采用Y型连接形式，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23的尾端连接在一点。如图3所示为三个一次绕组采用D型连接形式，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C 相一次绕组23还通过首尾端相连的方式连接，A相一次绕组21的首端连接B 相一次绕组22的尾端，B相一次绕组22的首端连接C相一次绕组23的尾端， C相一次绕组23的首端连接A相一次绕组21的尾端。如图4所示为三个一次绕组采用YN型连接形式，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23的尾端连接在一点后，还通过该点接地。

在本实施例中，解决了现有铁磁性三倍频变压器一次绕组连接形式单一的问题。

在一个实施例中，如图2、图3以及图4所示，三个一次绕组(21、22、23) 在铁芯上缠绕方向相同。

具体地，在通电时，绕组线圈电动势相量之间具有相位差，以此在铁芯上产生磁通。因此，A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23采用同样的缠绕方向缠绕于铁芯上，且如图2、图3以及图4中圆点标注的，三相电均从A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23的首端输入，即A相一次绕组21、B相一次绕组22以及C相一次绕组23的首端均为电动势为正的端点，即同名端。在本实施例中，通过同样的缠绕方向以及同名端的设置，以及三相电源相位相差120°，则可使得各分框铁芯中的三相基波得以抵消。

在一个实施例中，如图5所示，三个二次绕组(31、32、33)的连接方式为开口三角形连接。具体地，三个二次绕组的输出端作为单相端，a相二次绕组 31的首端作为单相端的一端，a相二次绕组31的尾端连接b相二次绕组32的首端，b相二次绕组32的尾端连接c相二次绕组33的首端，c相二次绕组33 的尾端作为单相端的另一端。

在一个实施例中，如图5所示，三个二次绕组(31、32、33)在铁芯上的缠绕方向相同。具体地，a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组 33采用同样的缠绕方向缠绕于分框铁芯上，且如图5中圆点标注为a相二次绕组31、b相二次绕组32以及c相二次绕组33的电动势为正的端点，即同名端。在本实施例中，通过同样的缠绕方向以及同名端的设置，以及三相电源相位相差120°，则可使得各分框铁芯中的三相基波得以抵消。

在一个实施例中，上述三相四框型三倍频变压器还包括三个调压绕组，三个调压绕组分别连接三个二次绕组，三个调压绕组缠绕在各分框铁芯的横轭上。

具体地，三个调压绕组分别对应与一个二次绕组串联连接，从而改变三倍频变压器二次侧绕组的匝数。其中，当调压绕组与二次绕组同极性同方向缠绕时，可起到增加二次侧绕组匝数的目的，而当调压绕组与二次绕组反向缠绕时，可起到减少二次侧绕组匝数的目的。

进一步地，三个调压绕组缠绕在三个二次绕组缠绕的分框铁芯的横轭上，可以是均缠绕在各分框铁芯同一侧的上横轭或下横轭上，也可以是分别缠绕在各分框铁芯的不同侧的上横轭或下横轭上，可以理解，调压绕组也可以与二次绕组同芯敷设于同一横轭上，不以此为限定。

在本实施例中，通过增加调压绕组使本申请三倍频变压器的上、下横轭中的磁通对称增加或减少，从而产生二次输出电压可调节的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种三相四框型三倍频变压器，其特征在于，包括：铁芯与绕组，所述铁芯包括第一分框铁芯、第二分框铁芯、第三分框铁芯与第四分框铁芯，所述第一分框铁芯与所述第二分框铁芯相邻处合并为第一芯柱，所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯相邻处合并为第二芯柱，所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯相邻处合并为第三芯柱；

所述绕组包括三个一次绕组与三个二次绕组，三个所述一次绕组分别缠绕在所述第一芯柱、所述第二芯柱以及所述第三芯柱，三个所述二次绕组分别缠绕于所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯中相邻三个分框铁芯的同一侧横轭上，三个所述一次绕组相连后连接至三相端，三个所述二次绕组相连后连接至单相端，所述单相端的电压频率是所述三相端的电压频率的三倍。

2.根据权利要求1所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯均为矩形分框铁芯，且呈一字型排列于同一平面上。

3.根据权利要求2所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯的面积相等。

4.根据权利要求3所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯相邻的芯柱间采用等距离气隙分隔。

5.根据权利要求4所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯、所述第三分框铁芯与所述第四分框铁芯为卷铁芯或叠铁芯。

6.根据权利要求1所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，三个所述一次绕组的连接方式为Y连接、D连接或YN连接。

7.根据权利要求6所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，三个所述一次绕组在所述铁芯上的缠绕方向相同。

8.根据权利要求1所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，三个所述二次绕组的连接方式为开口三角形连接。

9.根据权利要求8所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，三个所述二次绕组在所述铁芯上的缠绕方向相同。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的三相四框型三倍频变压器，其特征在于，还包括三个调压绕组，三个所述调压绕组分别连接三个所述二次绕组，三个所述调压绕组缠绕在所述分框铁芯的横轭上。

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