變壓器分段串聯電容補償電路的製作方法

2024-02-11 05:14:15

專利名稱：變壓器分段串聯電容補償電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於諧振變換器的變壓器分段串聯電容補償電路，屬於變壓器或電能變換領域。
背景技術：
諧振變換器具有高效率、高功率密度以及良好的EMI特性，在功率變換場合得到了廣泛的應用。通過引入諧振網絡，來得到部分諧振或是完全諧振的電壓或電流，實現諧振變換器的軟開關，獲得高效率及高功率密度的特性。諧振補償電容作為諧振網絡中不可或缺的部分，能夠補償變壓器的感抗及線路中的感抗，來獲得所需的諧振波形和輸出特性。尤其在非接觸供電場合，非接觸變壓器存在大漏感、小激磁電感的特點，通過加入諧振補償電容來補償漏感及激磁電感，能夠保證足夠的電壓增益、使得能量可以傳輸到非接觸變壓器副邊側，並減小非接觸變壓器原邊的無功損耗，提高變換效率。串聯補償電容是補償變壓器感抗的常用方法。當變壓器待補償的感抗較大，負載較重時，串聯補償電容的電流會增大，引起補償電容的電壓應力顯著增加，使得補償電容成為影響變換器可靠性的重要因素之一。為了解決該問題，常用的方法是將單個補償電容替代為多個補償電容的串並聯組合，從而降低單個電容的電壓及電流應力。採用這種方法對改善補償電容自身的電壓及電流應力十分有效，但無法解決重載時由補償電容所引起的變壓器繞組端電壓較高的問題。變壓器繞組的端電壓為輸入電壓與補償電容電壓疊加而成，補償電容電壓過高相應導致變壓器繞組端電壓過高，引起絕緣困難和高壓導致的無功損耗。羅青林，鍾俊濤.降低局部概率的特高壓變壓器絕緣設計[J].變壓器，2011，48(11):16-18中指出變壓器存在高壓時，可能引起局部放電現象，影響變壓器的正常運行。趙修科.磁性元器件分冊[M].第一版，瀋陽:遼寧科學技術出版社，2002,98-100則闡述了通過改變線圈繞制方式及恰當的屏蔽措施來減小線圈間電容以及分布電容，以減小變壓器的無功損耗。無論是單個補償電容還是採用多個補償電容的串並聯組合，都是利用串聯補償電容的電壓對變壓器待補償感抗的壓降進行集中補償，我們稱其為集中式補償方法。顯然，只要是集中式補償方法，變壓器繞組與補償電容或補償電容網絡的電路連接關係就不變，變壓器繞組的端電壓與輸入電壓及補償電容電壓或補償電容網絡電壓的數量關係也不發生改變，則重載時變壓器繞組端電壓過高的問題就不能得到解決。如何找到合理的補償方法，在補償變壓器感抗及線路感抗的同時，既能降低單個補償電容的電壓及電流應力，又能降低變壓器繞組的電壓應力，成為本發明的設計重點。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有諧振變換器採用的集中式補償方法無法解決變壓器繞組電壓應力過高的缺點，提出一種新型的變壓器補償方法。本發明的目的是通過以下方案實施的:
一種變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:變壓器待串聯補償繞組由若干繞組段串聯組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補償電容；上述變壓器待串聯補償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。所述的變壓器分段串聯電容補償電路能夠改變變壓器各繞組段兩端的電位，從而減小變壓器繞組的電壓應力，解決高壓所帶來的絕緣以及無功損耗問題。所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:所述變壓器待串聯補償繞組的繞組段匝數相等或不相等，相等時有利於補償電路的設計。所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:所述補償電容為單一電容或多個電容串並聯組合而成。所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:上述變壓器待串聯補償繞組的始端或/和末端還串有補償電容。本發明相比於現有技術有如下優點:現有諧振變換器中變壓器的感抗補償多採用串聯補償電容的集中式補償方法，負載較重或是電路中感抗較大時，變壓器繞組的電壓應力較高，給變壓器的絕緣以及變換器的安全工作帶來了隱患。本發明的變壓器分段串聯電容補償電路，通過將變壓器繞組分開為多段，將補償電容分段插入並與變壓器繞組串聯連接，對變壓器的感抗進行分段補償。所提出的變壓器分段串聯電容補償電路利用所插入的補償電容電壓與變壓器各段繞組段電壓存在相位差的特點，通過分段串聯補償電容，改變變壓器各分段繞組段兩端的電位，從而減小變壓器繞組的電壓應力。分段串入的補償電容既能在補償變壓器感抗及線路感抗的同時，改變變壓器內部的電場分布，降低變壓器繞組的電壓應力，降低變壓器繞組的絕緣要求，同時減小變壓器因高壓電場存在導致的無源損耗，使得變壓器及變換器的工作更為安全。可應用於各類諧振變換器中，包括非接觸諧振變換器中非接觸變壓器的補償，補償非接觸變壓器的漏感和激磁電感。


附圖1為僅變壓器原邊繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的示意圖；附圖2為僅變壓器副邊繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的示意圖；附圖3為變壓器原、副邊繞組同時採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的示意圖；附圖4是變壓器串聯補償電容的集中補償方法示意圖；附圖5是採用串聯電容集中補償方法的變壓器電壓、電流向量圖附圖6是採用串聯電容集中補償方法的變壓器繞組內部的電壓變化圖；附圖7是本發明的採用分段補償方法的變壓器單段繞組段的電壓、電流向量圖；附圖8是本發明的採用分段補償方法的變壓器繞組內部的電壓變化圖；附圖9是本發明的按不同匝數分段下的變壓器繞組的電壓、電流向量附圖10是採用集中補償方法的仿真電路圖；附圖11是本發明的採用變壓器分段串聯電容補償電路的仿真電路圖；附圖12是採用集中補償方法的仿真波形；附圖13是本發明的採用變壓器分段補償方法的仿真波形；附圖14是應用實例的採用集中補償方式的全橋逆變、串/並補償的非接觸諧振變換器電路圖；附圖15是應用實例的原邊繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的全橋逆變、串/並補償的非接觸諧振變換器電路圖。附圖16是應用實例的非接觸變換器一集中補償方法下的實驗波形；附圖17是應用實例的非接觸變換器一分段補償方法下的實驗波形。圖1 17中的主要符號名稱屯一輸入直流電壓；uin—輸入交流電壓；ip—變壓器原邊電流；is—變壓器副邊電流；Lpi (i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段自感；Cpi(i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段對應的分段補償電容；Lsj (j=l，2，...!!!)一變壓器副邊各繞組段自感；(j=l，2，…m) —變壓器副邊各繞組段對應的分段補償電容；LP—變壓器原邊自感；LS—變壓器副邊自感；CP—變壓器集中補償的串聯諧振電容；\、Bi+變壓器各繞組段兩端符號；A、B—變壓器總繞組的始端與末端的符號；Npi (i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段匝數；Nd (j=l，2，…m) —變壓器副邊各繞組段匝數；NP—變壓器原邊繞組匝數；NS—變壓器副邊繞組匝數；M12—變壓器原邊兩段繞組的互感；k一變壓器原副邊繞組間的耦合係數A1 S4—功率管辦 D4+二極體；DK1 Dk4—整流二極體；Lf一副邊整流濾波電路中的濾波電感；Cf一副 邊整流濾波電路的濾波電容；&一負載；U。一輸出電壓；
具體實施例方式以上附圖非限制性公開了本發明的幾個具體實施實例，下面結合附圖對本發明作進一步描述如下。參見附圖1，附圖1所示為變壓器原邊繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的實施示意圖。圖中Uin為交流輸入電壓，ip、is*別為變壓器原、副邊繞組電流。如附圖1所示，本發明的變壓器分段串聯電容補償電路先將變壓器原邊繞組分開為η段，所分各繞組段的匝數可以相等或者不相等，依次為Νρ1、Νρ2，…Npn。ApBi分別表示變壓器第i段繞組的兩端；A、B為變壓器總繞組的始端與末端的符號；再將補償電容Cpl、Cp2，…Cpn依次分段插入，並與變壓器各繞組段串聯連接。由於補償電容分段串入繞組中，與變壓器集成為一個整體，A或B點可以與A1或^公用節點，例如附圖1中的A點與A1A ;也可以放到分段補償電容的一隻引腳，例如附圖1中的B點與Bn點。並非所有相鄰的繞組段間均需要串入補償電容，只要變壓器待串聯補償繞組中至少有一對相鄰的繞組段間串有補償電容即可實現變壓器繞組電壓應力的降低，參見附圖2，附圖2中變壓器副邊僅有部分相鄰繞阻段間串有補償電容。此外，還可以在繞組的始端或/和末端串入補償電容，參見附圖1，變壓器原邊繞組末端還串有一個補償電容。實際應用中可以單獨對變壓器原邊繞組或副邊繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路，也可同時對變壓器的多個繞組採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路，附圖3給出了變壓器原、副邊繞組同時採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路的示意圖。採用本發明的變壓器分段串聯電容補償電路，可以在進行感抗補償同時降低變壓器繞組的電壓應力，下面結合附圖1和集中式補償電路，對本發明的變壓器分段串聯電容補償電路進行分析說明。參見附圖4，附圖4所示為變壓器串聯補償電容的集中補償方法示意圖。為了方便與附圖1進行對比，在附圖4中的變壓器繞組中依次標出附圖1所示的各繞組段的位置，繞組段節點的定義與附圖1相同。由於附圖4中各繞組段直接相連沒有分開，故相鄰兩段繞組段的始末端公用同一個節點。Np為變壓器原邊繞組的總匝數，Ns為變壓器副邊繞組的總匝數，Cp為變壓器原邊繞組串聯的集中式補償電容。首先分析分段補償方法對感抗的補償效果。利用串聯電容對感抗進行補償就是利用容抗壓降來抵消感抗壓降。因此，要得到與集中式補償相同的補償效果，就要求補償電容的總電壓相同。根據附圖1和附圖4，分段補償方法中各補償電容電壓ua (i=l, 2,…η)總和應滿足下面方程:
權利要求
1.一種變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於: 變壓器待串聯補償繞組由若干繞組段串聯組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補償電容；上述變壓器待串聯補償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。
2.根據權利要求1所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:所述變壓器待串聯補償繞組的繞組段匝數相等或不相等。
3.根據權利要求1所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:所述補償電容為單一電容或多個電容串並聯組合而成。
4.根據權利要求1所述的變壓器分段串聯電容補償電路，其特徵在於:上述變壓器待串聯補償繞組的始端或 /和末端還串有補償電容。
全文摘要
本發明涉及一種變壓器分段串聯電容補償電路，屬於變壓器或電能變換領域。變壓器待串聯補償繞組由若干繞組段串聯組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補償電容；上述變壓器待串聯補償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。本發明可應用於各類諧振變換器中，包括用於非接觸諧振變換器中補償非接觸變壓器的漏感和激磁電感。
文檔編號H02M1/42GK103219881SQ20131011248
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者陳乾宏, 嚴開沁, 侯佳, 陳文仙, 劉航, 黃君濤 申請人:南京航空航天大學