專利名稱：一種高頻化配電變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻化配電變壓器，屬于電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前的配電變壓器髙壓側(cè)大多為三相10kV輸入，低壓側(cè)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(cè)(即負(fù)載側(cè))的 功率因數(shù)直接影響高壓側(cè)，功率因數(shù)過低的負(fù)載必須要求進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償； (2)負(fù)載側(cè)的諧波全部流入電網(wǎng)，會造成諸多危害，需要進(jìn)行諧波補(bǔ)償；(3) 負(fù)載側(cè)的三相不平衡、過載、短路故障等因素會直接影響電網(wǎng)的電能質(zhì)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(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)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(huán)節(jié)可以使電網(wǎng)和負(fù)載不再直接耦合，利 于實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1以及基本消除網(wǎng)側(cè)電流諧波。
本發(fā)明的高頻化配電變壓器，其特征在于包括三相電壓高頻調(diào)制電路、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(diào)制電路中 的每相橋臂包括n個串聯(lián)的單相整流模塊，n為正整數(shù)，以及數(shù)量為單相整流模 塊m倍的逆變器模塊，m為正整數(shù)，m個逆變器模塊串聯(lián)構(gòu)成一個串聯(lián)逆變器 組，共形成n個串聯(lián)逆變器組；每相橋臂n個串聯(lián)的單相整流模塊的首端接高 壓側(cè)三相電網(wǎng)進(jìn)線，末端與三相電網(wǎng)中點相連，每個單相整流模塊的輸出端與 一個串聯(lián)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(shù)量 分別與串聯(lián)逆變器組的數(shù)量相同，各串聯(lián)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(jīng)星形、三角形、曲折 或者延邊三角形接法后形成i個移相的三相繞組，i為正整數(shù)，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(jīng)并聯(lián)后接低壓 側(cè)三相四線制電網(wǎng)，或者i個多脈整流電路并聯(lián)后形成j個輸出端分別與j個逆 變器輸出模塊的輸入端相連，j為小于i的正整數(shù)，j個逆變器輸出模塊的輸出端 經(jīng)并聯(lián)后接低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)。本發(fā)明中，所說的單相整流模塊可以是四個二極管、晶閘管或全控器件組 成的全橋整流電路，如果采用晶閘管則能量也可以從負(fù)載端反饋到電網(wǎng)，成為 能量可以雙向流動的配電變壓器。
本發(fā)明中，三相電壓高頻調(diào)制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(shù)量一般為單相整流模塊的l、 2或3倍。
本發(fā)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(shù)可以相同也可以不同，為保證 三相電壓高頻調(diào)制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(shù)相同。
副邊繞組選擇的相移接法與多脈整流電路的脈波數(shù)相對應(yīng)，即副邊繞組根 據(jù)多脈整流所要求的脈波數(shù)選擇接法以實現(xiàn)對應(yīng)的相移。
本發(fā)明中，所說的逆變器輸出模塊可以采用四橋臂結(jié)構(gòu)的三相全橋逆變電 路，利用其中一個橋臂引出零線并控制零線電位。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(jīng)過濾波后并聯(lián)，構(gòu)成低壓側(cè)三相四線制 電網(wǎng)的零線。
本發(fā)明的有益效果在于由于高頻移相變壓器工作在高頻調(diào)制方式下，其 開關(guān)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(diào)節(jié)三相電壓高頻調(diào)制電路中逆變器模塊的占空比，可實現(xiàn)輸出 電壓可調(diào)，當(dāng)負(fù)載電流過大時，三相電壓高頻調(diào)制電路中的逆變器模塊可通過 減小占空比加以限制，出現(xiàn)負(fù)載短路情況時可直接關(guān)閉三相電壓高頻調(diào)制電路 實現(xiàn)保護(hù)。這種配電變壓器由于逆變輸出模塊的作用，相當(dāng)于引入了直流環(huán)節(jié)， 可以使電網(wǎng)和負(fù)載不再直接耦合，當(dāng)i個逆變器輸出模塊的輸出的脈沖波形互相 錯開一定的相位角時，則并聯(lián)輸出的交流更接近正弦波形，于是可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè) 功率因數(shù)接近于1以及基本消除網(wǎng)側(cè)電流諧波。本發(fā)明不僅適用于現(xiàn)有的工頻 配電系統(tǒng)，多相配電系統(tǒng)，也可以用于高頻配電系統(tǒng)，如400Hz的艦船配電系 統(tǒng)。


圖1是高頻化配電變壓器構(gòu)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(diào)制波形圖，(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(tǒng)的用于調(diào)制的方波脈沖波形，(d)為 負(fù)半周倒相的用于調(diào)制的方波脈沖波形，(e)為圖3 (a)經(jīng)過圖3 (c)調(diào)制后得到的波形，(f)為圖3 (b)經(jīng)過圖3 (d)調(diào)制后得到的波形；
圖4是占空比調(diào)制的脈沖波形，(a)占空比等于l， (b)占空比小于l; 圖5是三相四橋臂逆變器輸出模塊主電路拓?fù)洹?br> 具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)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(diào)制電路、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(diào)制電路中的每相橋臂包括6個串聯(lián)的單相整流模塊CON以及6個串聯(lián)逆變 器組INV,即n二6， m二l的情況；每相橋臂6個串聯(lián)的單相整流模塊CON的 首端接高壓側(cè)三相電網(wǎng)進(jìn)線，末端與三相電網(wǎng)中點相連，6個單相整流模塊CON 的輸出端分別與6個串聯(lián)逆變器組INV的輸入端相連，6個串聯(lián)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(dá)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(jìn)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(shù)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(jīng)并聯(lián)后接低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)。
其中副邊繞組也可以采用延邊三角形接法，總之只需要使最后形成的4套 三相繞組電壓的相位依次相差15。即可達(dá)到24脈整流的效果，這樣的接法，和 傳統(tǒng)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(shù)，能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場合的要求。
6個副邊繞組和24脈整流僅為本發(fā)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(yīng)用場合。
本例中A相6個串聯(lián)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(diào)制電路中6個整流模塊之間的均壓，應(yīng)盡量 使高頻移相變壓器的原邊繞組匝數(shù)相同。由于經(jīng)過以上的調(diào)制，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。
由于高頻化的配電變壓器副邊電壓很低，尤其是采用延邊三角形或曲折接
5法后，分段繞組的電壓更低、匝數(shù)更少甚至出現(xiàn)分?jǐn)?shù)匝的情況，每套繞組電壓 難以做到均壓，所以直接經(jīng)過多脈整流后并聯(lián)很難做到均流。將多脈整流后得 到的多套獨立直流電經(jīng)逆變后再并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出模塊輸出波形的占 空比，使逆變器輸出模塊并聯(lián)后能夠有效調(diào)節(jié)各自的輸出電流。
采用了上述經(jīng)4套逆變器輸出模塊逆變后再并聯(lián)的辦法后，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(shè)計難度。通過對逆變器輸出模塊的控制， 對于這4套三相的移相繞組而言，實際匝數(shù)比理論計算匝數(shù)偏少(或偏多)的 繞組可以讓它電流相應(yīng)的大(或小) 一些，可以得到同樣的安匝數(shù)，同樣可以 達(dá)到消除網(wǎng)側(cè)電流諧波的目的。因此對于4套逆變器輸出模塊而言，實質(zhì)上并 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(yán)格意義上的均壓與均流給高頻化配電變壓器的設(shè)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(shù)為 5><^ 8.66匝，這樣的分?jǐn)?shù)匝繞組難以在工程上實現(xiàn)，現(xiàn)在則可以近似設(shè)計成8 匝或者9匝，通過控制逆變器輸出模塊的占空比來實現(xiàn)等效的分?jǐn)?shù)匝繞組效果。
上述為多脈整流電路數(shù)量與逆變器輸出模塊數(shù)量相等的情況，當(dāng)逆變器輸 出模塊數(shù)量j小于多脈整流電路數(shù)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'兩兩并聯(lián)后形成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個多脈整流電路并聯(lián)后 與剩余的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(jīng)并聯(lián)后接低壓側(cè)三相四線制 電網(wǎng)。
實例中，三相電壓高頻調(diào)制電路中的單相整流模塊為四個二極管組成的全 橋整流電路；三相電壓高頻調(diào)制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(tǒng)要求有零線引出，為此逆變器輸出模塊(如 圖5所示)采用三相四橋臂的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由開關(guān)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(guān)管Q7和Q8的控制，形成穩(wěn) 定的中點電壓，并使之成為零線，零線電流可經(jīng)L4、 Q7和Q8形成回路，使三 相輸出完全獨立。利用其中一個橋臂引出零線并控制零線電位，將所有逆變器 輸出模塊引出的零線經(jīng)過濾波后并聯(lián)，構(gòu)成低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)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(guān)管Q7、 Q8按-一 定的占空比工作，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于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于622V，則 中線橋臂中點電位相對于直流母線中點電位的電壓是按3倍工頻脈動的，而對 于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(jīng)濾波后再并聯(lián)，最后引出作為三 相四線制電網(wǎng)的零線。
單相整流模塊輸入波形如圖3 (a)所示，經(jīng)過整流后輸出波形如圖3 (b) 所示。三相電壓高頻調(diào)制電路中的串聯(lián)逆變器組，利用幅值等于±1的雙極性方 波脈沖進(jìn)行調(diào)制，與圖3 (c)中傳統(tǒng)的方波脈沖不同，采用的是負(fù)半周倒相的 方波脈沖。如圖3 (d)所示，這兩種方波脈沖的不同之處在于在被調(diào)制波， 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(fù)半波期間，圖3 (d)與圖3 (c)波形反相，即在被調(diào)制波反向時，方波脈 沖也倒相。圖3 (b)中整流后的電壓波形經(jīng)圖3 (d)的方波脈沖調(diào)制后的波形 如圖3 (f)所示；圖3 (a)的交變電壓波形經(jīng)圖3 (c)的傳統(tǒng)方波脈沖調(diào)制后 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，采用這種方案可以避免使用兩極雙向全控器件。
圖3中的方波脈沖都是正負(fù)脈沖相連的，如圖4 (a)所示，當(dāng)占空比為1 時輸出電壓最大。三相電壓高頻調(diào)制電路的逆變器模塊也可以工作在占空比小 于1的狀態(tài)，如圖4 (b)所示。控制占空比小于1，則可降低輸出電壓，因此 本發(fā)明的高頻化配電變壓器還具有電壓調(diào)整的功能。
權(quán)利要求
1. 一種高頻化配電變壓器，其特征在于包括三相電壓高頻調(diào)制電路、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(diào)制電路中的每相橋臂包括n個串聯(lián)的單相整流模塊(CON)，n為正整數(shù)，以及數(shù)量為單相整流模塊(CON)m倍的逆變器模塊，m為正整數(shù)，m個逆變器模塊串聯(lián)構(gòu)成一個串聯(lián)逆變器組(INV)，共形成n個串聯(lián)逆變器組(INV)；每相橋臂n個串聯(lián)的單相整流模塊(CON)的首端接高壓側(cè)三相電網(wǎng)進(jìn)線，末端與三相電網(wǎng)中點相連，每個單相整流模塊(CON)的輸出端與一個串聯(lián)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(shù)量分別與串聯(lián)逆變器組(INV)的數(shù)量相同，各串聯(lián)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(jīng)星形、三角形、曲折或者延邊三角形接法后形成i個移相的三相繞組，i為正整數(shù)，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(jīng)并聯(lián)后接低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)，或者i個多脈整流電路(CON’)并聯(lián)后形成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為小于i的正整數(shù)，j個逆變器輸出模塊(INV’)的輸出端經(jīng)并聯(lián)后接低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于單相整流模塊 (CON)為四個二極管、晶閘管或全控器件組成的全橋整流電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于三相電壓高頻調(diào) 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(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于m等于l、 2或3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于高頻移相變壓器 (Tr)的原邊繞組匝數(shù)相同或不相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于副邊繞組選擇的 相移接法與多脈整流電路的脈波數(shù)相對應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻化配電變壓器，其特征在于逆變器輸出模塊 (INV，)為四橋臂結(jié)構(gòu)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(jīng)過濾波后并聯(lián)，構(gòu)成低壓側(cè)三相四線制電網(wǎng)的零線。
全文摘要
本發(fā)明公開的高頻化配電變壓器，包括三相電壓高頻調(diào)制電路、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(diào)制電路中的每相橋臂包括n個串聯(lián)的單相整流模塊及數(shù)量為單相整流模塊m倍的逆變器模塊。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)三相電壓高頻調(diào)制電路中逆變器模塊的占空比，可實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)；由于高頻移相變壓器工作在高頻調(diào)制方式下，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(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1以及基本消除網(wǎng)側(cè)電流諧波的目的。本發(fā)明不僅適用于現(xiàn)有的工頻配電系統(tǒng)，多相配電系統(tǒng)，也可以用于高頻配電系統(tǒng)，如400Hz的艦船配電系統(tǒng)。
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(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者呂征宇, 汪槱生, 胡海兵, 趙榮祥 申請人:浙江大學(xué)