三相電抗器及變流電路的製作方法

2023-10-11 20:27:39 5

專利名稱：三相電抗器及變流電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電抗器應用領域，具體而言，涉及一種三相電抗器及變流電路。
背景技術：
電路中的非線性負載在工作時，會產生高次諧波，從而造成諧波汙染，影響供電質量。比如圖l所示的逆變器對於輸配電線路而言，就屬於非線性負載，通過控制逆變電路中高頻開關器件的開通與關斷，使得電路中能量得以雙向流動，實現網側電流的正弦化。為了抑制逆變器中由高頻開關器件產生的諧波汙染，可在輸配電線路中接入電抗器，電抗器是能有效利用其感應電抗值的電氣設備，在電力系統中主要起限流、穩流、無功補償和移相等作用。圖1所示的逆變電路帶有一個三相電抗器，A，B，C為該三相電抗器的輸入端，U，V，W為其對應的輸出端，該三相電抗器的結構圖如圖2所示，其中A、B、C三相繞組分別繞於"日"字型鐵芯的三個芯柱上，由於其實質為3個繞組繞在同一鐵芯上，故得到如圖3所示的原理圖。 相關技術中提供了一種用於多組電路的濾波方法，該方法為每組連接於交流電源的逆變電路配置一個三相電抗器，故當多組電路同時工作時，相應地需要多個獨立的三相電抗器。這些三相電抗器主要用於濾除電路中的諧波，比如基於工頻50Hz的5次，7次，11次，13次及更高次諧波。這種三相電抗器的相與相之間不存在互感，多個三相電抗器兩兩之間的電流互不影響。發明人發現相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，只能消除各自電路中的諧波，對整個電路的諧波消除效果較差，且由於採用的電感量較大而造成三相電抗器的體積較大，需要的櫃體體積也較大，從而導致製作成本較高。

發明內容
本發明旨在提供一種三相電抗器及變流電路，能夠解決相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，對整個電路的諧波消除效果較差，且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。 為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種三相電抗器，包括鐵芯；N組三相繞組，其中，每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上，N為大於1的自然數。
為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，還提供了一種變流電路，包括三相電抗器與N個逆變單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個逆變單元中的開關器件為可控開關器件；N個逆變單元中的每個逆變單元的三相交流端分別與N組三相繞組中的每個三相繞組的三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。 為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，還提供了一種變流電路，包括三相電抗器、N個逆變單元，以及N個整流單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個逆變單元中的開關器件為可控開關器件；N個整流單元中的每個整流單元為三相橋式整流電路；N個逆變單元
3中的每個逆變單元的三相交流端與三相負載電連接，每個逆變單元的直流端與每個逆變單
元的直流端電連接，每個逆變單元的三相交流端分別與N組三相繞組中的每個三相繞組的
三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。 優選地，在上述變流電路中，每個整流單元中的開關器件為二極體。 為了實現上述目的，根據本發明的另一方面，還提供了一種變流電路，包括三相電
抗器與N個背靠背雙P麗變換單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及
N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個背靠背雙P麗變換單元
中的開關器件為可控開關器件；N個背靠背雙P麗變換單元中的每個變換單元的第一三相
交流端與三相負載電連接，每個變換單元的第二三相交流端分別與N組三相繞組中的每個
三相繞組的三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。 上述實施例中的三相電抗器將相關技術使用的多個三相電抗器中各自分開的N
組繞組繞於同一個鐵芯上，減小了佔用的空間與櫃體體積，降低了製作成本，而且由於繞組
集中繞制，其互感抵消了部分諧波，從而更好地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情
況下，改善了濾波效果，所以克服了相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，對整個
電路的諧波的消除效果較差，且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中 圖1示出了單組逆變電路的工作電路圖； 圖2示出了圖1中三相電抗器的結構圖； 圖3示出了圖1中三相電抗器的原理圖； 圖4示出了根據本發明第一實施例的三相電抗器的結構圖； 圖5示出了根據本發明第二實施例的三相電抗器的結構圖； 圖6示出了根據本發明第三實施例的三相電抗器的結構圖； 圖7示出了圖6中三相電抗器的原理圖； 圖8示出了根據本發明第四實施例的變流電路的電路圖； 圖9示出了圖8中三相電抗器的A相等效電路圖； 圖10示出了圖8中三相電抗器的空載實驗電路圖； 圖11示出了圖10中空載實驗的A相等效電路圖； 圖12示出了圖8中三相電抗器的短路實驗電路圖； 圖13示出了圖12中短路實驗的A相等效電路圖； 圖14示出了根據本發明第五實施例的變流電路的電路圖； 圖15示出了根據本發明第六實施例的變流電路的電路圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。
圖4示出了根據本發明第一實施例的三相電抗器的結構圖，該三相電抗器包括
鐵芯10 ;
4
N組三相繞組20，其中，每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上，N為大於1的自然數。 本實施例中的三相電抗器將相關技術使用的多個三相電抗器中各自分開的N組繞組繞20於同一個鐵芯IO上，減小了佔用的空間與櫃體體積，降低了製作成本，而且由於繞組集中繞制，其互感抵消了部分諧波，從而更好地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果，所以克服了相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，對整個電路的諧波的消除效果較差，且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。
圖5示出了根據本發明第二實施例的三相電抗器的結構圖，本實施例中的三個芯柱上分別繞有三相繞組(共有3N個)，最左邊的芯柱上繞有N個A相繞組輸入分別為A1，
A2，......， AN，輸出分別為Ul， U2，......， UN ;中間的芯柱上繞有B相繞組輸入分別為
B1，B2，......，BN，輸出分別為V1，V2，......， VN ;最右邊的芯柱上繞有N個C相繞組輸入
分別為Cl， C2，......， CN，輸出分別為Wl， W2，......， WN，故三相電抗器共有3N個輸入端
口，分別為A1，B1，C1，......，AN，BN，CN ;共有3N個輸出埠，分別為U1，V1，W1，......，
UN， VN， WN。其中，輸入為Al， Bl， Cl的3個繞組構成一組三相繞組，輸入為AN， BN， CN的3
個繞組也構成一組三相繞組，故圖3所示的三相電抗器共有N組繞組。 由於上述三相電抗器的N組三相繞組共有3N個輸入埠與3N個輸出埠 ，故其
連接於電路的方式可靈活選擇，即第i組三相繞組(輸入為Ai，Bi，Ci，i = 1，2，......，N)
與第j組三相繞組(輸入為Aj，Bj，Cj， j = 1，2，......，N)之間的連接關係可靈活配置，
以滿足不同的應用需求。 圖6示出了根據本發明第三實施例的三相電抗器的結構圖，其中N = 2，其中，A1，A2， Bl， B2， Cl， C2為輸入端，Ul， U2， VI， V2， Wl， W2為輸出端，其A， B， C之間的互感為0， A相繞組之間的互感值為每個繞組電感值的60% 70%， B相繞組之間的互感和C相繞組之間的互感與A相繞組之間的互感相同。2N個繞組的自感值相同，均為每個繞組電感值的30%。 圖7示出了圖6中三相電抗器的原理圖，即圖6中三相電抗器的6個繞組實質為繞在同一個鐵芯上。該電抗器除了起到通過自感濾除諧波的效果，還可將三路電流中的諧波互相抵消，使電路中的諧波電流減小到輸入電流的1/9左右。 在本發明的實施例中，提供了一種變流電路，該變流電路包括三相電抗器與N個逆變單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個逆變單元中的開關器件為可控開關器件(包括半控型開關器件與全控型開關器件)；N個逆變單元中的每個逆變單元的三相交流端分別與N組三相繞組中的每個三相繞組的三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。 本實施例中的變流電路採用根據本發明第一實施例中的三相電抗器，相比相關技術中為每組連接於交流電源的逆變單元配置一個三相電抗器的技術方案而言，本實施例減小了三相電抗器佔用的空間與櫃體體積，降低了製作成本，而且由於繞組集中繞制，其互感抵消了部分諧波，從而更好地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果，所以克服了相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，對整個電路的諧波的消除效果較差，且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。
圖8示出了根據本發明第四實施例的變流電路的電路圖，其中N = 2，即本實施例中的三相電抗器包括兩組三相繞組，分別用於對兩個逆變單元進行濾波；其中的開關器件均為全控型開關器件IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型功率管)。其中的三相電抗器除了起到通過漏感濾除諧波的效果，還使得三路電流中的諧波互相抵消，使電路中的諧波電流減小到輸入電流的1/9左右。 在設計電抗器時，雖然可設計得到漏感和互感值，但是無法測得實際值來進行比較，以確定設計的正確性。通過借鑑單相變壓器測得勵磁電感和漏感的方法，以圖8所示的兩個三相繞組為例，得到如下的測量電抗器各繞組漏感和互感的方法，包括以下步驟
步驟一，整個三相電抗器共6個繞組，以A1A2兩個繞組為例，由於A1A2在同一鐵芯柱，故可將其看做一個變壓器，令A1為一次側，A2為二次側，formula see original document page 6可得到如圖9所示的A相等效電路圖，由於電感繞組的電阻很小，損耗也很小，所以在以下的計算過程中忽略電阻值，即假定電阻為O，且假定各三相繞組的阻抗相等. 步驟二，對圖8中三相電抗器進行空載實驗，實驗接線圖如圖10所示，讀取其中的電錶讀數，得到Ua、 Ia、 Ub、 Ib、 U。、 I。，從而得到各相的空載阻抗值分別為formula see original document page 6
而結合圖9，可得到空載實驗的A相等效電路圖如圖ll所示，由圖ll有A相空載阻抗值為formula see original document page 6
同理可得，B、 C相空載阻抗分別為formula see original document page 6
由(1) (6)式可得formula see original document page 6 步驟三，對圖8中三相電抗器進行短路實驗，實驗接線圖如圖12所示，讀取其中的電錶讀數，得到Uak、 Uak、 Ubk、 Ibk、 U。k、 I。k，從而得到各相的短路阻抗值分別為formula see original document page 6而結合圖9，可得到空載實驗的A相等效電路圖如圖13所示，由圖13有A相短路
formula see original document page 6
同理可得，B、 C相空載阻抗分別為formula see original document page 7 步驟四，聯立(7)式與(16)式求解得到ZJ即A1的漏感抗)與Z咖(即A1的互感 抗)，聯立(8)式與(17)式求解得到Zm(即B1的漏感抗)與Zbm(即Bl的互感抗)，聯立 (9)式與(18)式求解得到Zd(即Cl的漏感抗)與Z。m(即Cl的互感抗)，由於忽略電阻值， 故有|Z| " IXl，又由於X二wL，故根據本步驟中求得的漏感抗與互感抗可得到各三相繞組 相應的漏感值和互感值； 步驟五，類似地，將A2， B2， C2端當作變壓器的一次側，可求得A2， B2， C2的漏感和 互感。 至此，已求出圖8中所有繞組的漏感值和互感值。 若N # 2，則在測繞組A1， Bl， CI時，空載試驗時，同一鐵芯柱的其它線圈開路；短 路實驗時，同一鐵芯柱的其它線圈短路，其中假定各繞組的阻抗相同。與上述方法類似，可 依次得到各線圈的漏感和互感值。 在本發明的實施例中，提供了一種變流電路，該變流電路包括三相電抗器、N個逆 變單元，以及N個整流單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及N組三 相繞組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個逆變單元中的開關器件為可 控開關器件(包括半控型開關器件與全控型開關器件)；N個整流單元中的每個整流單元為 三相橋式整流電路；N個逆變單元中的每個逆變單元的三相交流端與三相負載電連接，每 個逆變單元的直流端與每個逆變單元的直流端電連接，每個逆變單元的三相交流端分別與 N組三相繞組中的每個三相繞組的三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三相交流 電電連接。 本實施例中的變流電路除了包括N個逆變單元，還包括N個整流單元，本實施例採 用根據本發明第一實施例中的三相電抗器，相比相關技術中為每組連接於交流電源的逆變 單元配置一個三相電抗器的技術方案而言，本實施例減小了三相電抗器佔用的空間與櫃體 體積，降低了製作成本，而且由於繞組集中繞制，其互感抵消了部分諧波，從而更好地抑制 了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果，所以克服了相關技術中的濾 波方法當多組電路同時工作時，對整個電路的諧波的消除效果較差，且佔用空間與櫃體體 積較大，製作成本較高的問題。 利用與上述測量方法類似的方法可測量得到本實施例中的三相電抗器的各三相
7繞組的漏感和互感。 圖14示出了根據本發明第五實施例的變流電路的電路圖，其中N二2，且每個整流 單元為由二極體組成的三相橋式整流電路，這種整流電路以簡單的結構實現了較高的直流 電壓利用率。 在本發明的實施例中，提供了一種變流電路，該變流電路包括三相電抗器與N個 背靠背雙P麗變換單元，其中N為大於1的自然數，三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞 組，其中每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上；N個背靠背雙P麗變換單元中的開關器 件為可控開關器件(包括半控型開關器件與全控型開關器件)；N個背靠背雙P麗變換單元 中的每個變換單元的第一三相交流端與三相負載電連接，每個變換單元的第二三相交流端 分別與N組三相繞組中的每個三相繞組的三相輸入端電連接，每個三相繞組的輸出端與三 相交流電電連接。 本實施例中的變流電路除了包括N個逆變單元，還包括N個背靠背雙P麗變換單 元元，本實施例採用根據本發明第一實施例中的三相電抗器，相比相關技術中為每組連接 於交流電源的逆變單元配置一個三相電抗器的技術方案而言，本實施例減小了三相電抗器 佔用的空間與櫃體體積，降低了製作成本，而且由於繞組集中繞制，其互感抵消了部分諧 波，從而更好地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果，所以克 服了相關技術中的濾波方法當多組電路同時工作時，對整個電路的諧波的消除效果較差， 且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。 利用與上述測量方法類似的方法可測量得到本實施例中的三相電抗器的各三相 繞組的漏感和互感。 從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例減小了三相電抗器佔用的空間 與櫃體體積，降低了製作成本，而且由於繞組集中繞制，其互感抵消了部分諧波，從而更好 地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果。 以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
8
權利要求
一種三相電抗器，其特徵在於，包括鐵芯；N組三相繞組，其中，每組三相繞組分別繞於所述鐵芯的三個芯柱上，N為大於1的自然數。
2. —種變流電路，其特徵在於，包括三相電抗器與N個逆變單元，其中N為大於1的自 然數，所述三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於所述鐵芯 的三個芯柱上；所述N個逆變單元中的開關器件為可控開關器件；所述N個逆變單元中的每個逆變單元的三相交流端分別與所述N組三相繞組中的每個 三相繞組的三相輸入端電連接，所述每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。
3. —種變流電路，其特徵在於，包括三相電抗器、N個逆變單元，以及N個整流單元，其 中N為大於1的自然數，所述三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於所述鐵芯 的三個芯柱上；所述N個逆變單元中的開關器件為可控開關器件；所述N個整流單元中的每個整流單元為三相橋式整流電路；所述N個逆變單元中的每個逆變單元的三相交流端與三相負載電連接，所述每個逆變 單元的直流端與所述每個逆變單元的直流端電連接，所述每個逆變單元的三相交流端分別 與所述N組三相繞組中的每個三相繞組的三相輸入端電連接，所述每個三相繞組的輸出端 與三相交流電電連接。
4. 根據權利要求3所述的變流電路，其特徵在於，所述每個整流單元中的開關器件為 二極體。
5. —種變流電路，其特徵在於，包括三相電抗器與N個背靠背雙P麗變換單元，其中N 為大於l的自然數，所述三相電抗器包括鐵芯，以及N組三相繞組，其中每組三相繞組分別繞於所述鐵芯 的三個芯柱上；所述N個背靠背雙P麗變換單元中的開關器件為可控開關器件；所述N個背靠背雙P麗變換單元中的每個變換單元的第一三相交流端與三相負載電連 接，所述每個變換單元的第二三相交流端分別與所述N組三相繞組中的每個三相繞組的三 相輸入端電連接，所述每個三相繞組的輸出端與三相交流電電連接。
全文摘要
本發明提供了一種三相電抗器及變流電路，該三相電抗器包括鐵芯；N組三相繞組，其中，每組三相繞組分別繞於鐵芯的三個芯柱上，N為大於1的自然數。本發明減小了佔用的空間與櫃體體積，降低了製作成本，更好地抑制了電路中的諧波，在總電感量相同的情況下，改善了濾波效果，所以克服了相關技術中的三相電抗器在三組電路同時工作時，對整個電路的諧波的消除效果較差，且佔用空間與櫃體體積較大，製作成本較高的問題。
文檔編號H02M7/44GK101710529SQ20091024143
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者張東勝 申請人:新能動力(北京)電氣科技有限公司