專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子設(shè)備，涉及一種變壓器，特別是一種實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器。
背景技術(shù)：
由于電力電子設(shè)備的廣泛使用，給電網(wǎng)注入了大量的諧波，造成其他用電設(shè)備的干擾，引發(fā)電力設(shè)備的故障。為此，必須采用電力電子技術(shù)解決電網(wǎng)中的諧波問題。然后，由于注入電網(wǎng)諧波的主要設(shè)備都是采用三相供電的，而目前實(shí)現(xiàn)三相用電設(shè)備的諧波治理技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜、成本也比較高，如有源濾波器。采用電力電子器件和無源濾波技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的諧波治理技術(shù)，得到迅速發(fā)展。以N.Mohan為代表的學(xué)者在這方面具有獨(dú)到的研究成果，如采用Y-Δ接法消除零序電流的三相變壓器1和采用ZigZag變壓器實(shí)現(xiàn)的零序電流消除技術(shù)2，這些都是無源濾波技術(shù)和有源電力電子技術(shù)相結(jié)合的典范。
如圖1所示的Y-Δ變壓器中，變壓器的原邊為Y接法，零序電流通過原邊的中性點(diǎn)流到三相電網(wǎng)中。變壓器的副邊為Δ接法，這樣，對(duì)電網(wǎng)的非零序分量(包括基波)來講，相當(dāng)于副邊開路；對(duì)于零序分量來講，副邊相當(dāng)于短路，或者說副邊的Δ接法，對(duì)零序分量來講是低阻抗。
該接法的變壓器副邊為Δ接法，3個(gè)繞組上感應(yīng)的零序電壓都是同相的，且首尾相連，相當(dāng)于零序電壓源處于短路狀態(tài)，根據(jù)變壓器的互感原理，變壓器的原邊對(duì)零線就能夠?qū)崿F(xiàn)零序電壓分量的低阻抗，那么三相電網(wǎng)中就通過該變壓器消除了零序電壓分量。
在如圖2所示的曲折變壓器接法中，虛線以上為變壓器的原邊繞組，用P表示，虛線以下為變壓器的副邊繞組，用S表示。圖中相對(duì)應(yīng)的P和S繞組為一個(gè)芯柱，且同名端如圖中標(biāo)注所示。設(shè)該變壓器的勵(lì)磁電流忽略不計(jì)，應(yīng)用理想的變壓器模型。
設(shè)三相輸入電壓為 O點(diǎn)的電壓為 原邊三相繞組的感應(yīng)電壓分別為 副邊三相繞組相應(yīng)的感應(yīng)電壓分別為 該變壓器的矢量圖如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，向量 的相位差為120°，令uas＝u(ωt)，則有ubs＝u(ωt-2π/3)和ucs＝u(ωt+2π/3)。由圖3的電壓矢量可知， 輸入電壓為對(duì)稱的三相正弦電壓，所以， 只能含有基波和零序電壓分量，而正序分量和負(fù)序分量必須為0。
設(shè)相應(yīng)繞組的電流分別為 諧波注入電流為 節(jié)點(diǎn)O的總電流和為0，從變壓器注入的電流只含有零序電流。那么，該變壓器對(duì)零序電流呈現(xiàn)低阻，允許零序電流通過，能夠達(dá)到零序電流注入到電網(wǎng)的目的。
上述兩種實(shí)現(xiàn)零序電流注入的變壓器有兩個(gè)共同的特點(diǎn)1)原副邊的繞組都是6個(gè)；2)其接法是固定的，沒有辦法實(shí)現(xiàn)零序電流檢測的功能。
以下使申請(qǐng)人給出的參考文獻(xiàn)1)R.Naik，N.Rastogi and N.Mohan，“Third Harmonic Modulated PowerElectronics interface with Three-Phase Utility to Provide a Regulated DC Outputand Minimize Line-Current Harmonics”.IEEE Trans IA.Vol.31.No.3，pp.598-602，1995。
2)Mohan N.“A novel approach to minimize line-current harmonics ininterfacing renewable energy sources with 3-phase utility systems”，AppliedPower Electronics Conference and Exposition，1992。APEC′92。ConferenceProceedings 1992，Seventh Annual，1992 Page(s)852-858。
3)董曉鵬，“三相PWM整流器及其控制方法的研究”，西安交通大學(xué)博士學(xué)位論文，1998。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種用于實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器，包括變壓器的三相繞組，其特征在于，所述的變壓器內(nèi)還有一個(gè)中心柱短接的繞組。
本發(fā)明的4芯柱三相變壓器和普通的三相變壓器相比，多設(shè)計(jì)一個(gè)中心柱。其工作原理如下三相電壓在3個(gè)邊柱繞組上產(chǎn)生相位差為120度的磁通，在中心柱上實(shí)現(xiàn)磁通疊加，再通過中心柱繞組產(chǎn)生磁勢。對(duì)于非零序的磁勢分量，磁通的矢量疊加和為0，而零序分量的疊加和為三相零序分量之和，從而得出三相電壓中是否含有零序電壓分量。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)零序電流的檢測與注入，為運(yùn)用電力電子技術(shù)和無源濾波技術(shù)消除電網(wǎng)諧波電流構(gòu)造了電路拓?fù)?。和現(xiàn)有的技術(shù)相比，還具有減少變壓器的體積和繞組、降低變壓器的損耗、實(shí)現(xiàn)零序電流檢測等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是Y-Δ接法消除零序電流的三相變壓器示意圖；圖2是ZigZag接法消除零序電流的三相變壓器示意圖；圖3是曲折變壓器的矢量圖；圖4是4芯柱三相變壓器的連接示意圖；圖5是4芯柱三相變壓器的磁路圖；圖6是三相輸入電流頻譜；圖7是三相3線PFC實(shí)驗(yàn)裝置主電路圖；
圖8是三相輸入的電流波形圖；圖9是零序電流檢測示意圖。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的4芯柱三相變壓器如圖4所示。包括變壓器的原邊a、b、c三相繞組和一個(gè)中心柱繞組，在該接法中，中心柱繞組短接，諧波電流通過變壓器原邊的中性點(diǎn)，對(duì)每相都流過1/3的諧波電流到電網(wǎng)。對(duì)于對(duì)稱的三相電網(wǎng)來講，將中心柱繞組短接，即中心柱的總磁通和為0，該連接點(diǎn)O相當(dāng)于電網(wǎng)的中性點(diǎn)。如果從O點(diǎn)注入諧波電流，即相當(dāng)于接入了中性線。在對(duì)稱的三相四線中，中性線的諧波電流分量只含有零序電流分量。因此該變壓器對(duì)零序電流來講也是低阻的。具體分析如下設(shè)該變壓器的勵(lì)磁電流忽略不計(jì)，為理想的變壓器模型。設(shè)該變壓器的四個(gè)繞組的電壓分別為 O點(diǎn)的電壓為 則根據(jù)圖4所示，O點(diǎn)的電位為0；同樣設(shè)相應(yīng)繞組的電流分別為 節(jié)點(diǎn)O的總電流也和為0。這是因?yàn)橹行闹睦@組只含有零序磁通，非零序磁通為零，而且中心柱的零序磁通為各個(gè)繞組中零序磁通的3倍。該中心柱的零序磁通在其繞組上產(chǎn)生相應(yīng)的零序電流，該電流也為其它三個(gè)繞組零序電流之和。
4芯柱三相變壓器的中心柱短路繞組，具有以下作用如果沒有這個(gè)短接繞組，這個(gè)變壓器相當(dāng)于只有三個(gè)原邊繞組，沒有副邊繞組，或者說原邊是三個(gè)耦合電感，只不過這三個(gè)耦合電感流過的電流是4芯柱三相變壓器原邊的激磁電流，而且比較小。對(duì)稱的三相電壓作用在這個(gè)變壓器上，O點(diǎn)的電位依然為0，而且由三相基波電壓在中心柱產(chǎn)生的總磁通和為0。設(shè)四個(gè)芯柱繞組的匝數(shù)均為N，則零序電流在三個(gè)邊柱產(chǎn)生的總磁勢為 中心柱繞組沒有零序電流流過，沒有磁勢產(chǎn)生，不能破壞三個(gè)邊柱的電勢平衡
圖5a是4芯柱三相變壓器的磁路圖，當(dāng)中心柱繞組短接以后，其電流就會(huì)增加，并產(chǎn)生磁勢 并改變了三個(gè)邊柱的磁通及感應(yīng)電勢，破壞了變壓器原邊的電勢平衡關(guān)系，必然使原邊的電流增加(只有零序電流)，并產(chǎn)生磁勢，去抵償中心柱繞組產(chǎn)生的磁勢，使原邊的磁勢得到新的平衡。同時(shí)，中心柱繞組短接，電流可以達(dá)到無限大，這樣，就可以使原邊對(duì)零序電流具有無限小的阻抗。從理想變壓器來考慮，該變壓器對(duì)零序電流是沒有阻抗的，能夠?qū)崿F(xiàn)零序電流注入。
圖5b是該設(shè)備實(shí)際制造的樣品示意圖，三相繞組的分布和中心柱繞組的關(guān)系為圖中的粗線部分。在應(yīng)用實(shí)施例1中使用時(shí)，將中心柱繞組短接在一體，三相繞組分別和a、b、c三相交流電源線連接，這就構(gòu)成了零序電流諧波注入變壓器，O點(diǎn)為諧波注入點(diǎn)，如圖4所示；在應(yīng)用實(shí)施例2中使用時(shí)，將a、b、c三相繞組分別串入三相交流電源中，中心柱繞組斷開，接上檢測電阻，就可以實(shí)現(xiàn)零序電流的檢測，如圖9所示。
可以將三相整流容性負(fù)載的輸入電流THD降到為6％左右，功率因數(shù)提高到0.998以上。如圖6所示的應(yīng)用本發(fā)明的4芯柱三相變壓器得到的3kW實(shí)驗(yàn)電流波形，由圖中可見，各相電流頻譜幾乎全部為基波50Hz，諧波含量已經(jīng)抑制得非常少了。
以下是發(fā)明人給出的具體實(shí)施例。
應(yīng)用實(shí)施例1電力電子設(shè)備的諧波治理為了驗(yàn)證本發(fā)明的4芯柱三相變壓器實(shí)際效果，設(shè)計(jì)一個(gè)是以雙開關(guān)控制為核心，三相PFC整流器裝置，通過其性能指標(biāo)的檢測，驗(yàn)證了本發(fā)明的方法消除諧波電流的效果是非常顯著的。
三相3線制整流性負(fù)載的諧波抑制電路如圖7所示，圖中，繼電器J1和電阻R組成啟動(dòng)限流電路；HL1～3為檢測輸入電流用的電流霍爾傳感器，用于提供電流跟蹤控制用的電流反饋信號(hào)；HV1～2為檢測輸出電壓用的電壓霍爾傳感器，用于系統(tǒng)對(duì)直流輸出電壓的反饋控制；L1～3為該裝置輸入升壓電感；D1～D6為整流二極管橋，D7～D8為高頻二極管；C1～C3為輸入濾波高頻電容；C4～C5為輸出濾波電容，各為4700μF；S1～S2使用IGBT作為開關(guān)管；輸出負(fù)載為35Ω，T1為本發(fā)明的4芯柱三相變壓器，4芯柱三相的零序電流注入工頻變壓器。
應(yīng)用諧波電流注入方案和諧波電流控制策略，其記錄結(jié)果采用了功率分析儀。三相交流電流波形如圖8所示。a相的基波電流有效值為9.974A，b相的基波電流為10.166A，c相的基波電流為10.872A。由圖8可見，三相輸入電流已經(jīng)非常接近正弦波。
在輸入電感電流中，零序電流占一定的比例，特別是3次諧波電流，達(dá)到了c相基波電流的5.1％。其它非零序電流(除基波以外)也比較大，其主要原因有二一是三相輸入電壓不對(duì)稱引起的。由于三相電壓不對(duì)稱，即使負(fù)載完全對(duì)稱，諧波電流仍然存在?；蛘哒f，三相電源對(duì)于各次諧波的阻抗不相等，諧波電流不能完全消除。二是零序諧波電流注入變壓器的漏感不為0，使得變壓器對(duì)零序電流呈現(xiàn)一定的阻抗。這導(dǎo)致了零序電流難以消除。
即使如此，該電路的諧波治理效果也是相當(dāng)明顯的。
應(yīng)用實(shí)施例2零序諧波電流的檢測如圖9所示的零序電流檢測示意圖，當(dāng)零線檢測不是很方便的時(shí)候，采用該方案完全可以實(shí)現(xiàn)三相電源線中是否含有零序電流。
其原理就是三相電流的非零序分量在中心柱繞組上產(chǎn)生磁勢的矢量和為0，只有零序電流在中心柱上產(chǎn)生的磁勢方向一致，這樣在中心柱繞組上產(chǎn)生了三相零序電流的總和，并轉(zhuǎn)換成輸出電壓u，從而得到三相之和的零序電流。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器，包括變壓器的三相繞組，其特征在于，所述的變壓器內(nèi)還有一個(gè)中心柱短接的繞組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)現(xiàn)諧波治理的4芯柱三相變壓器，包括變壓器的三相繞組，其特征在于，所述的變壓器內(nèi)還有一個(gè)中心柱短接的繞組。本發(fā)明和普通的三相變壓器相比，多設(shè)計(jì)一個(gè)中心柱。在中心柱上實(shí)現(xiàn)磁通疊加，再通過中心柱繞組產(chǎn)生磁勢。對(duì)于非零序的磁勢分量，磁通的矢量疊加和為0，而零序分量的疊加和為三相零序分量之和，從而得出三相電壓中是否含有零序電壓分量。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)零序電流的檢測與注入，為運(yùn)用電力電子技術(shù)和無源濾波技術(shù)消除電網(wǎng)諧波電流構(gòu)造了電路拓?fù)?。和現(xiàn)有的技術(shù)相比，還具有減少變壓器的體積和繞組、降低變壓器的損耗、實(shí)現(xiàn)零序電流檢測等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01F27/34GK1937118SQ20061010457
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月15日
發(fā)明者曹建安, 裴云慶, 王兆安 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)