一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器的製作方法
2023-04-23 22:41:31 1
專利名稱：一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及變壓器技術領域，特別是與一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器。
背景技術：
眾所周知，變壓器是為電力裝置提供額定電壓和電流的靜止感應電器。一種理想的狀態是電源輸送出沒有諧波畸變的正弦波信號到電力變壓器的一次側。然而在實際運用中，通常都不是這種情況，一般都存在基頻(如50Hz、60Hz)的諧波分量，以及由其它許多原因產生的不相關的更高頻率的電壓。例如閃電或大電機合閘所產生的尖峰信號、無線電頻率信號、計算機系統數位訊號、電源不對稱負荷、通訊信號等，所有這些都可能導致電源信號的諧波分量。
以上這樣的諧波畸變會不同程度地妨礙與電源相連接的電力設備發揮最佳功效，甚至損壞設備。隨著電力電子技術的迅猛發展，各種電力電子設備在電力系統、工業部門、家庭和民用事業部門得到日益廣泛的應用，其產生的諧波以及造成的危害日益嚴重，使世界各國對諧波問題都給予十分關心和重視。
諧波主要是與電網相連的各種非線性負載所產生。引起電力系統諧波的主要諧波源有1)電力變壓器的非線性勵磁；2)旋轉電動機引起的諧波；3)電弧爐引起的波形畸變；4)各種電力電子裝置產生的諧波。目前電力電子裝置產生的諧波已成為電力系統的主要諧波汙染源。
電網諧波造成電網汙染，正弦電壓波形將產生畸變，使電力系統發、供用電設備出現許多異常現象和故障，情況日趨嚴重。電力系統中諧波的危害是多方面的，概括起來有以下幾個方面1)影響供配電線路的穩定運行；2)影響電網質量；3)損壞電力電容器；4)破壞電力變壓器性能參數，增大損耗；5)降低電力電纜傳輸性能；6)影響電動機正常運行；7)造成低壓開關設備產生誤動作；8)幹擾弱電系統設備；9)影響電力測量準確性；10)影響人體健康。
消除諧波的方法就涉及到整流並消除諧波信號，產生新的沒有諧波畸變的正弦電壓信號，很多人都知道在與計算機一起使用的UPS使用的就是這個方法。另一個更早的方法就涉及到諧振變壓器，它只會在基本頻率範圍內產生諧振，因此而衰減所有其它頻率。然而這種方法涉及到通過外部的隔離變壓器產生負荷平衡的電力線路，隔離變壓器二次繞組的中心抽頭接地，因此就會產生兩路輸出而傳遞反相的差模畸變。
目前解決電力電子諧波汙染和低功率因數的基本思路有兩條一是裝設補償裝置，以補償其諧波和無功功率。二是對電力電子裝置本身進行改進，使其不產生諧波且不消耗無功功率，或根據需要對其功率因數進行控制。由於電子半導體工作機理必然要產生一定量的高次諧波，因此第二條思路難以治本。而第一條思路目前實現的方法大體有兩種，其一是採用LC無源濾波器的低阻特性濾除諧波。無源LC濾波器目前在實際工業中佔主導地位，並在治理諧波方面起重要作用，但它本身存在下述難以克服的缺點一是濾波器過載問題；二是由於高次諧波範圍較大，需設置多個LC無源濾波支路，使整個裝置容量增大，損耗也隨之增加；三是其濾波效果將隨系統運行情況而變化；四是當系統阻抗參數發生變化時，濾波器可能與系統發生諧振，嚴重時將導致電網崩潰。其二是採用有源濾波器。有源濾波器作為一理想的諧波電流發生源，產生與畸變源中大小相等、方向相反的諧波電流以抵消其畸變分量，從而使電源電流波形成為正弦波。有源電力濾波器是一種動態抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波的裝置。
如上所述的解決方法中都要求在變壓器上加上外部濾波電路來消除諧波，這些都導致系統產生額外的複雜電路及高的運行維護費用。由於成本和運行費用高、可靠性低等問題，阻礙了它在實際工業中的推廣應用。
發明內容
本實用新型的發明目的是提供一種利用電磁感應原理，從磁路上解決諧波問題的利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器。
本實用新型採用的技術方案是一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，包括一個與輸入相連的一次繞組、一個與負載相連接的二次繞組以及位於這兩者之間的一個鐵芯，其特徵是還包括輔助繞組和高通濾波器，輔助繞組與所述繞組一同繞制並反相連接，所述高通濾波器與輔助繞組相串聯。
本實用新型所使用的高通濾波器可以是單個或多個電容器或也可以由電感器、電容器和電阻器的組合等任何可選頻率的二階以上的結構來構成。
本實用新型的輔助繞組與一次繞組反相連接或者輔助繞組和二次繞組反相連接，這使得高頻率諧波在變壓器的鐵芯中消除，而基頻(50Hz或60Hz等)卻沒有衰減。與現有的無源濾波器和有源濾波器相比，本實用新型還具有一個優點就是，它省卻費用高的外部濾波電路，利用鐵心磁通來消除諧波。此外，變壓器的參數(如阻抗、電流和相位角)可以通過改變變壓器電路參數的方法來控制。本實用新型提供一種結構簡單、低損耗、高可靠性的用鐵心磁通抑制諧波的三相(或單相)變壓器，可用於常規配電變壓器、電力變壓器和特種變壓器(如整流變、牽引變、電抗器等)，它們的額定容量從1MVA到100MVA或更大，電壓從0.4kV到750kV或更高。
圖1是本實用新型實施例1的結構原理圖；圖2是實施例1中電能從一次側到二次側的傳遞示意圖；圖3是本實用新型實施例2的結構原理圖；圖4是本實用新型實施例3的結構原理圖；圖5是本實用新型實施例4的結構原理圖；圖6是本實用新型實施例5的結構原理圖。
具體實施方式
實施例1圖1所示的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，它包括一個與輸入相連的一次繞組1、一個與負載相連接的二次繞組2以及位於這兩者之間的一個鐵芯3，還包括輔助繞組4和由電容器C1和C2構成的高通濾波器，輔助繞組4與一次繞組1一同繞制並反相連接，電容C1和C2與輔助繞組4相串聯。
本實施例中輔助繞組4與一次繞組1的匝數相同，但考慮電容器C1和C2的自身消耗，實際輔助繞組4比一次繞組1的匝數略多，具體根據電容選擇而定。
高通濾波器並不局限於圖1中所示的雙電容結構。其功能可以用單個或多個電容器或電感器、電容器和電阻器的組合等任何合適頻率的結構來實現。
本實施例中，一次繞組1和輔助繞組4都是雙支路結構。繞組之間的互相耦合的最優化調整可以控制變壓器的傳遞函數、一次電流和電壓之間的相位角及阻抗。
實際上，一次繞組1和輔助繞組2的一個特徵是互相耦合近似為0(即單支路)和近似為1(即雙支路)之間在基頻(50Hz或60Hz)下，電容C1和C2呈高阻抗接近開路，一次繞組1和輔助繞組4耦合近似為0；在高頻諧波下，電容C1和C2呈低阻抗接近短路，一次繞組1和輔助繞組4耦合近似為1。
雙支路一次繞組1和輔助繞組4的選擇要保證兩繞組間只有非常小的漏感，這樣每個繞組在變壓器鐵芯3中產生的磁通大小就相同。
電容器C1和C2組成的高通濾波器截止頻率要選擇在基頻之上。高頻時，高通濾波器阻抗很小，電容器C1和C2就相當於短路元件。相應諧波電流信號就會通過一次繞組1和輔助繞組4流入相反的方向，在鐵芯3中產生磁通密度Ba和Bb，它們幅值相同但方向相反，所以相互抵消。頻率高於高通濾波裝置的截止頻率時，在變壓器鐵芯3中產生零磁通密度。
諧波磁通在鐵芯中相互抵消，抵消的程度取決於電源信號頻率、一次繞組A1和輔助繞組4的匝數、電容器C1和C2的頻率範圍。
在前面所說的實施方案中，濾波電容器C1和C2是一階高通濾波結構。在要求二階或更高階的高通濾波裝置時，電容器C1和C2就可以用外部電感器和電容器的組合來代替。這樣就可能產生一個新的濾波結構，這個結構是與有源放大裝置、電阻器、電容器及感應器組合而成，這些元件會感應一次繞組1和二次繞組2的高頻率以及有效調節鐵芯3中諧波淨磁通直至為0。
圖2表示實施例1中電能從一次側到二次側的傳遞，用傳遞函數dB表示。根據原先的技術(即常規變壓器)，諧波信號的通頻帶就非常寬。按照本實施例，在高通濾波器截止頻率之上的諧波信號被大幅度衰減。例如基頻為50Hz時，高通濾波器截止頻率可選為150Hz或250Hz，具體選擇待設計確定。
實施例2圖3所示的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，它包括一個與輸入相連的一次繞組1、一個與負載相連接的二次繞組2以及位於這兩者之間的一個鐵芯3，還包括輔助繞組4和由電容器C1和C2構成的高通濾波器，輔助繞組4與二次繞組1一同繞制並反相連接，電容C1和C2與輔助繞組4相串聯。
負載側產生諧波信號，一路經過二次繞組2，另一路經過有高通濾波器輔助繞組4，因高通濾波器不衰減諧波信號，對應地在鐵芯3中產生磁通密度，幅值近似相同但反相，所以相互抵消，在變壓器鐵芯3中產生諧波信號近似零磁通。
基頻信號一路經過二次繞組2，而另一路經高通濾波器與輔助繞組4相聯，因高通濾波器對基頻信號呈高阻抗，所以輔助繞組4幾乎無基頻信號通過。這樣在變壓器鐵芯3中就只有基波磁通。
實施例3圖4所示的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，它包括一個與輸入相連的一次繞組1、一個與負載相連接的二次繞組2以及位於這兩者之間的一個鐵芯3，還包括輔助繞組4、5和由電容器C1、C2和C3、C4構成的高通濾波器，輔助繞組4與一次繞組1一同繞制並反相連接，電容C1和C2構成的高通濾波器與輔助繞組4相串聯；輔助繞組5與二次繞組2一同繞制並反相連接，電容C3和C4構成的高通濾波器與輔助繞組5相串聯。由於變壓器的一次和二次繞組1、2都連有反相的輔助繞組4、5和高通濾波器，可以有效消除一次繞組1電源側和二次繞組2負載側的諧波。
實施例4圖5所示的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，它包括一個與輸入相連的一次繞組1、一個與負載相連接的二次繞組2以及位於這兩者之間的一個鐵芯3，還包括輔助繞組4和由電容器C構成的高通濾波器，輔助繞組4與一次繞組1一同繞制並反相連接，電容C構成的高通濾波器與輔助繞組4相串聯。
根據本發明，變壓器鐵芯3中的淨磁通密度因為輔助繞組(含一個或多個輔助繞組)使頻率高於高通濾波器的截止頻率的諧波信號產生0磁通而消除。本發明的另外一個特點就是變壓器外的諧波信號的磁通也被消除，因此繞組外部漏磁很小。
本發明對於消除諧波信號很有用。諧波信號在常規變壓器一次繞組和二次繞組之間的電容耦合傳遞方式，在本發明也包括在內。
實施例6圖6所示的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，它包括一個與輸入相連的一次繞組1、一個與負載相連接的二次繞組2以及位於這兩者之間的一個鐵芯3，用一電阻R與電容C相串聯，形成高通濾波裝置，用符號標明變壓器的匝數、電感、內部導線電阻、阻抗和互感，這裡標明變壓器的參數只是為了解釋說明。
一次繞組1的匝數為NP、電感為LP、內部電阻為R1p1、電源頻率為f(x)。
二次繞組2的匝數為NS、電感為LS、外部電阻R1p2與二次負載ZS連接(繞組S的內部電阻包括在ZS中)。
關於一次繞組P1、P2同名端用黑點標出。
一次繞組P1與P2的互感MP＝kp·Lp，其中kp是一次繞組P1和P2之間的耦合因數。
一次繞組P1與二次繞組2的互感為MS1=kSLpLS]]>，其中ks是一次繞組P1與二次繞組2之間的耦合因數。
一次繞組P2與二次繞組2的互感為Ms2＝k2·Ms1，其中k2是一次繞組P2與二次繞組2之間的耦合因數。
這表明一次繞組P2和二次繞組2之間的互相耦合不等於一次繞組P1和二次繞組2之間的互相耦合。
圖6中通過改變電容C可以影響一次電流和一次電壓之間的相位角。
本發明中變壓器採用不同的高通濾波參數可以影響變壓器的傳遞函數，如截止低通頻率、一次電流和電壓及二次電流和電壓之間相位角的調整。
權利要求1.一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，包括一個與輸入相連的一次繞組(1)、一個與負載相連接的二次繞組(2)以及位於這兩者之間的一個鐵芯(3)，其特徵是還包括輔助繞組(4)和高通濾波器，輔助繞組(4)與所述繞組一同繞制並反相連接，所述高通濾波器與輔助繞組(4)相串聯。
2.根據權利要求1所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是所述繞組與輔助繞組(4)之間採用雙支路結構。
3.根據權利要求1所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是所述繞組與輔助繞組(4)之間採用非雙支路結構。
4.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是所述輔助繞組(4)為一個，與所述一次繞組(1)一同繞制並反相連接。
5.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是所述輔助繞組(4)為一個，與所述二次繞組(1)一同繞制並反相連接。
6.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是所述輔助繞組(4)為兩個，與所述一次繞組(1)和二次繞組(2)一同繞制並反相連接。
7.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是高通濾波器由一個以上的電容器構成。
8.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是高通濾波器也可以由電感器、電容器和電阻器任何可選頻率組合的二階以上的結構來構成。
9.根據權利要求7所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是高通濾波器由兩個電容器構成，兩個電容器與輔助繞組(4)相串聯。
10.根據權利要求1或2或3所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是一次繞組(1)和二次繞組(2)之間電流和電壓之間的相位角為0度。
11.根據權利要求7所述的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，其特徵是一次繞組(1)和二次繞組(2)之間電流和電壓之間的相位角為0度。
專利摘要本實用新型公開的一種利用鐵心磁通抑制諧波的變壓器，包括一個與輸入相連的一次繞組、一個與負載相連接的二次繞組以及這兩者之間的一個鐵芯，使之在它們之間產生互相的磁耦合。此外還有一個輔助繞組與一次或二次繞組一同繞制並反相連接，高通濾波器與這個輔助繞組相串聯，以衰減上述的基本電源頻率信號，然而通過的高頻諧波信號基本沒有衰減，使變壓器的諧波磁通接近於零，從而有效抑制諧波向電網側及負載側的滲透和擴散。
文檔編號H01F27/34GK2686059SQ03248509
公開日2005年3月16日 申請日期2003年8月9日 優先權日2003年8月9日
發明者劉軍, 張彤蘊 申請人:特變電工衡陽變壓器有限公司