一種高頻化配電變壓器的製作方法

2023-04-22 21:19:46 1

專利名稱：一種高頻化配電變壓器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高頻化配電變壓器，屬於電力電子功率變換技術領域。
背景技術：
目前的配電變壓器髙壓側大多為三相10kV輸入，低壓側為380V/220V低 壓三相四線制輸出。這類配電變壓器有四個缺點(1)低壓側(即負載側)的 功率因數直接影響高壓側，功率因數過低的負載必須要求進行功率因數補償； (2)負載側的諧波全部流入電網，會造成諸多危害，需要進行諧波補償；(3) 負載側的三相不平衡、過載、短路故障等因素會直接影響電網的電能質量和供 電可靠性。(4)通常這類工頻配電變壓器大多為油浸式，具有體積大、用材多、 易燃等固有缺點。

發明內容
鑑於上述，本發明的目的是提供一種高頻化配電變壓器，以減小配電變壓 器的體積和重量，同時通過引入直流環節可以使電網和負載不再直接耦合，利 於實現網側功率因數接近於1以及基本消除網側電流諧波。
本發明的高頻化配電變壓器，其特徵在於包括三相電壓高頻調製電路、高 頻移相變壓器、多脈整流電路以及逆變器輸出模塊；三相電壓高頻調製電路中 的每相橋臂包括n個串聯的單相整流模塊，n為正整數，以及數量為單相整流模 塊m倍的逆變器模塊，m為正整數，m個逆變器模塊串聯構成一個串聯逆變器 組，共形成n個串聯逆變器組；每相橋臂n個串聯的單相整流模塊的首端接高 壓側三相電網進線，末端與三相電網中點相連，每個單相整流模塊的輸出端與 一個串聯逆變器組的輸入端相連；高頻移相變壓器原邊繞組及副邊繞組的數量 分別與串聯逆變器組的數量相同，各串聯逆變器組的輸出端分別與高頻移相變 壓器各原邊繞組相連；高頻移相變壓器的三相副邊繞組經星形、三角形、曲折 或者延邊三角形接法後形成i個移相的三相繞組，i為正整數，i個移相的三相繞 組分別與i個多脈整流電路的輸入端相連；i個多脈整流電路的輸出端分別連接 至i個逆變器輸出模塊的輸入端，i個逆變器輸出模塊的輸出端經並聯後接低壓 側三相四線制電網，或者i個多脈整流電路並聯後形成j個輸出端分別與j個逆 變器輸出模塊的輸入端相連，j為小於i的正整數，j個逆變器輸出模塊的輸出端 經並聯後接低壓側三相四線制電網。本發明中，所說的單相整流模塊可以是四個二極體、晶閘管或全控器件組 成的全橋整流電路，如果採用晶閘管則能量也可以從負載端反饋到電網，成為 能量可以雙向流動的配電變壓器。
本發明中，三相電壓高頻調製電路中的逆變器模塊可以是兩電平或者三電
平單相全橋逆變電路；逆變器模塊的數量一般為單相整流模塊的l、 2或3倍。
本發明中，所說的高頻移相變壓器可以是一個三相變壓器，也可以由三個 單相變壓器組成；高頻移相變壓器原邊繞組匝數可以相同也可以不同，為保證 三相電壓高頻調製電路中多個單相整流模塊的均壓，通常使高頻移相變壓器原 邊繞組匝數相同。
副邊繞組選擇的相移接法與多脈整流電路的脈波數相對應，即副邊繞組根 據多脈整流所要求的脈波數選擇接法以實現對應的相移。
本發明中，所說的逆變器輸出模塊可以採用四橋臂結構的三相全橋逆變電 路，利用其中一個橋臂引出零線並控制零線電位。為了抑制零線電位的波動， 可將所有逆變器輸出模塊引出的零線經過濾波後並聯，構成低壓側三相四線制 電網的零線。
本發明的有益效果在於由於高頻移相變壓器工作在高頻調製方式下，其 開關頻率一般為工頻的一百倍以上，因此整個配電變壓器的尺寸和重量可以大 幅降低。通過調節三相電壓高頻調製電路中逆變器模塊的佔空比，可實現輸出 電壓可調，當負載電流過大時，三相電壓高頻調製電路中的逆變器模塊可通過 減小佔空比加以限制，出現負載短路情況時可直接關閉三相電壓高頻調製電路 實現保護。這種配電變壓器由於逆變輸出模塊的作用，相當於引入了直流環節， 可以使電網和負載不再直接耦合，當i個逆變器輸出模塊的輸出的脈衝波形互相 錯開一定的相位角時，則並聯輸出的交流更接近正弦波形，於是可以實現網側 功率因數接近於1以及基本消除網側電流諧波。本發明不僅適用於現有的工頻 配電系統，多相配電系統，也可以用於高頻配電系統，如400Hz的艦船配電系 統。


圖1是高頻化配電變壓器構成示意圖2是24脈整流時高頻移相變壓器副邊繞組的一種接法示例； 圖3是三相電壓高頻調製波形圖，(a)為單相整流模塊的輸入波形，(b) 為單相整流模塊的輸出波形，(c)為傳統的用於調製的方波脈衝波形，(d)為 負半周倒相的用於調製的方波脈衝波形，(e)為圖3 (a)經過圖3 (c)調製後得到的波形，(f)為圖3 (b)經過圖3 (d)調製後得到的波形；
圖4是佔空比調製的脈衝波形，(a)佔空比等於l， (b)佔空比小於l; 圖5是三相四橋臂逆變器輸出模塊主電路拓撲。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
參照圖l，高頻化配電變壓器中，包括三相電壓高頻調製電路、高頻移相變 壓器Tr、多脈整流電路CON，以及逆變器輸出模塊INV，；圖例中，三相電壓高 頻調製電路中的每相橋臂包括6個串聯的單相整流模塊CON以及6個串聯逆變 器組INV,即n二6， m二l的情況；每相橋臂6個串聯的單相整流模塊CON的 首端接高壓側三相電網進線，末端與三相電網中點相連，6個單相整流模塊CON 的輸出端分別與6個串聯逆變器組INV的輸入端相連，6個串聯逆變器組INV 的輸出端分別與高頻移相變壓器Tr的6個原邊繞組相連；以高頻移相變壓器Tr 每相6個副邊繞組達到24脈整流目的為例，A相為、
"^， B相、C相類似。副邊繞組按圖2進行連接，接成星形、三角形、-15°曲 折形、+15°曲折形，形成4套相位依次相差15。的三相繞組，引出4組共12個 端子，即圖1中的a^'c;、 "26202、 a3'63'C3'、 a>4c4'，各副邊繞組的匝數比為
1: VI :0.816:0.816:0.299:0.299 。 4套相位依 火相差15。 的三相繞組分別與4個多脈整流電路CON'的輸入端相連；4個多脈整流電路 CON'的輸出端分別連接至4個逆變器輸出模塊INV'的輸入端，4個逆變器輸 出模塊INV，的輸出端經並聯後接低壓側三相四線制電網。
其中副邊繞組也可以採用延邊三角形接法，總之只需要使最後形成的4套 三相繞組電壓的相位依次相差15。即可達到24脈整流的效果，這樣的接法，和 傳統工頻24脈整流器一樣，可以消除各主要的諧波電流，僅存在24kll次的諧 波，其中k為正整數，能滿足絕大多數應用場合的要求。
6個副邊繞組和24脈整流僅為本發明的一個示例，同理也可以推廣到2個、 3個 副邊繞組和12脈、18脈 整流的應用場合。
本例中A相6個串聯逆變器組的輸出分別接到高頻移相變壓器A相的6個 原邊繞組。為保證三相電壓高頻調製電路中6個整流模塊之間的均壓，應儘量 使高頻移相變壓器的原邊繞組匝數相同。由於經過以上的調製，三相電壓之和 仍然為零，因此高頻移相變壓器可由一個三相變壓器或者是三個單相的變壓器 組成。
由於高頻化的配電變壓器副邊電壓很低，尤其是採用延邊三角形或曲折接
5法後，分段繞組的電壓更低、匝數更少甚至出現分數匝的情況，每套繞組電壓 難以做到均壓，所以直接經過多脈整流後並聯很難做到均流。將多脈整流後得 到的多套獨立直流電經逆變後再並聯，通過調節逆變器輸出模塊輸出波形的佔 空比，使逆變器輸出模塊並聯後能夠有效調節各自的輸出電流。
採用了上述經4套逆變器輸出模塊逆變後再並聯的辦法後，只要求最終形 成的4套三相的移相繞組電壓的相位依次相差15°,可以不再要求其大小完全相 等，大大降低了高頻移相變壓器的設計難度。通過對逆變器輸出模塊的控制， 對於這4套三相的移相繞組而言，實際匝數比理論計算匝數偏少(或偏多)的 繞組可以讓它電流相應的大(或小) 一些，可以得到同樣的安匝數，同樣可以 達到消除網側電流諧波的目的。因此對於4套逆變器輸出模塊而言，實質上並 不要求自動控制多脈整流中的4套三相整流器均流，而是要求控制4套整流器 做到均功率。不要求嚴格意義上的均壓與均流給高頻化配電變壓器的設計帶來 很大方便，例如若星形接法每相為5匝，原本要求三角形接法每相匝數為 5><^ 8.66匝，這樣的分數匝繞組難以在工程上實現，現在則可以近似設計成8 匝或者9匝，通過控制逆變器輸出模塊的佔空比來實現等效的分數匝繞組效果。
上述為多脈整流電路數量與逆變器輸出模塊數量相等的情況，當逆變器輸 出模塊數量j小於多脈整流電路數量i的時候，例如4個多脈整流電路和2個逆 變器輸出模塊的情況，可將多脈整流電路CON'兩兩並聯後形成2個輸出端分別 與2個逆變器輸出模塊INV'的輸入端相連；或者可將3個多脈整流電路並聯後 與剩餘的1個多脈整流電路形成2個輸出端分別與2個逆變器輸出模塊INV'的 輸入端相連，2個逆變器輸出模塊INV，的輸出端經並聯後接低壓側三相四線制 電網。
實例中，三相電壓高頻調製電路中的單相整流模塊為四個二極體組成的全 橋整流電路；三相電壓高頻調製電路中的逆變器模塊為兩電平單相全橋逆變電 路。
380V/50Hz三相四線制配電系統要求有零線引出，為此逆變器輸出模塊(如 圖5所示)採用三相四橋臂的電路拓撲結構。由開關管Q7、 Q8與電感L4、電 容C4、 C5組成中點電壓控制主電路，通過對開關管Q7和Q8的控制，形成穩 定的中點電壓，並使之成為零線，零線電流可經L4、 Q7和Q8形成迴路，使三 相輸出完全獨立。利用其中一個橋臂引出零線並控制零線電位，將所有逆變器 輸出模塊引出的零線經過濾波後並聯，構成低壓側三相四線制電網的零線。
220V交流電壓的峰峰值約為622V，如果某一套逆變器輸出模塊的直流母線電壓Upw^ 622V，則控制該逆變器輸出模塊的中線橋臂開關管Q7、 Q8按-一 定的佔空比工作，使其輸出電壓為直流母線電壓的中點電位，亦即零線電位。 如果4套逆變器輸出模塊的直流母線電壓均大於622V，則它們的中線橋臂中點 可以連接在一起作為三相四線制的零線引出。如果直流母線電壓小於622V，則 中線橋臂中點電位相對於直流母線中點電位的電壓是按3倍工頻脈動的，而對 於四套逆變器輸出模塊而言，這種3倍工頻的脈動相位與大小有可能不同，此 時4套逆變器輸出模塊中線橋臂引出的零線經濾波後再並聯，最後引出作為三 相四線制電網的零線。
單相整流模塊輸入波形如圖3 (a)所示，經過整流後輸出波形如圖3 (b) 所示。三相電壓高頻調製電路中的串聯逆變器組，利用幅值等於±1的雙極性方 波脈衝進行調製，與圖3 (c)中傳統的方波脈衝不同，採用的是負半周倒相的 方波脈衝。如圖3 (d)所示，這兩種方波脈衝的不同之處在於在被調製波， 如50Hz正弦波的正半波期間，圖3 (d)與圖3 (c)波形相同，在50Hz正弦波 的負半波期間，圖3 (d)與圖3 (c)波形反相，即在被調製波反向時，方波脈 衝也倒相。圖3 (b)中整流後的電壓波形經圖3 (d)的方波脈衝調製後的波形 如圖3 (f)所示；圖3 (a)的交變電壓波形經圖3 (c)的傳統方波脈衝調製後 得到的波形如圖3 (e)所示。顯然可見，圖3 (e)的波形與圖3 (f)是完全一 樣的，採用這種方案可以避免使用兩極雙向全控器件。
圖3中的方波脈衝都是正負脈衝相連的，如圖4 (a)所示，當佔空比為1 時輸出電壓最大。三相電壓高頻調製電路的逆變器模塊也可以工作在佔空比小 於1的狀態，如圖4 (b)所示。控制佔空比小於1，則可降低輸出電壓，因此 本發明的高頻化配電變壓器還具有電壓調整的功能。
權利要求
1. 一種高頻化配電變壓器，其特徵在於包括三相電壓高頻調製電路、高頻移相變壓器(Tr)、多脈整流電路(CON』)以及逆變器輸出模塊(INV』)；三相電壓高頻調製電路中的每相橋臂包括n個串聯的單相整流模塊(CON)，n為正整數，以及數量為單相整流模塊(CON)m倍的逆變器模塊，m為正整數，m個逆變器模塊串聯構成一個串聯逆變器組(INV)，共形成n個串聯逆變器組(INV)；每相橋臂n個串聯的單相整流模塊(CON)的首端接高壓側三相電網進線，末端與三相電網中點相連，每個單相整流模塊(CON)的輸出端與一個串聯逆變器組(INV)的輸入端相連；高頻移相變壓器(Tr)原邊繞組及副邊繞組的數量分別與串聯逆變器組(INV)的數量相同，各串聯逆變器組(INV)的輸出端分別與高頻移相變壓器(Tr)各原邊繞組相連；高頻移相變壓器(Tr)的三相副邊繞組經星形、三角形、曲折或者延邊三角形接法後形成i個移相的三相繞組，i為正整數，i個移相的三相繞組分別與i個多脈整流電路(CON』)的輸入端相連，i個多脈整流電路(CON』)的輸出端分別與i個逆變器輸出模塊(INV』)的輸入端相連，i個逆變器輸出模塊(INV』)的輸出端經並聯後接低壓側三相四線制電網，或者i個多脈整流電路(CON』)並聯後形成j個輸出端分別與j個逆變器輸出模塊(INV』)的輸入端相連，j為小於i的正整數，j個逆變器輸出模塊(INV』)的輸出端經並聯後接低壓側三相四線制電網。
2. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於單相整流模塊 (CON)為四個二極體、晶閘管或全控器件組成的全橋整流電路。
3. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於三相電壓高頻調 制電路中的逆變器模塊是兩電平或者三電平單相全橋逆變電路。
4. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於m等於l、 2或3。
5. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於高頻移相變壓器 (Tr)的原邊繞組匝數相同或不相同。
6. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於副邊繞組選擇的 相移接法與多脈整流電路的脈波數相對應。
7. 根據權利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特徵在於逆變器輸出模塊 (INV，)為四橋臂結構的三相全橋逆變電路，所有逆變器輸出模塊(INV，)引出的零線經過濾波後並聯，構成低壓側三相四線制電網的零線。
全文摘要
本發明公開的高頻化配電變壓器，包括三相電壓高頻調製電路、高頻移相變壓器、多脈整流電路以及逆變器輸出模塊；三相電壓高頻調製電路中的每相橋臂包括n個串聯的單相整流模塊及數量為單相整流模塊m倍的逆變器模塊。本發明通過調節三相電壓高頻調製電路中逆變器模塊的佔空比，可實現輸出電壓可調；由於高頻移相變壓器工作在高頻調製方式下，因此可有效減小整套配電變壓器的體積和重量；這種配電變壓器可解決多脈整流電路的均流問題，實現網側功率因數接近於1以及基本消除網側電流諧波的目的。本發明不僅適用於現有的工頻配電系統，多相配電系統，也可以用於高頻配電系統，如400Hz的艦船配電系統。
文檔編號H01F30/12GK101521467SQ20081016220
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月14日 優先權日2008年11月14日
發明者呂徵宇, 汪槱生, 胡海兵, 趙榮祥 申請人:浙江大學