專利名稱：在電氣系統(tǒng)中產生中性點的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在具有兩或多相的供電系統(tǒng)中使用的多相整流設備，所述設備包括用于每一相的具有第一和第二初級端的單相整流器，每個整流器由其第一初級端連接到相應的相，所述整流器的第二初級端互連。
這樣的網絡和這樣的整流器在供電系統(tǒng)領域是公知的。
三相網絡用的整流器可以利用星形連接的三個單相整流器設計而成。例如，對于3×400V網絡，可以采用三個230V整流器。
如果在三相網絡中沒有可以利用的中性點，那么由這樣的星形結構的三個整流器產生的中性點可能是不可靠的。各相之間的不對稱效應可能既出現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)，也會出現(xiàn)在瞬態(tài)。當從低阻抗的網絡供電時，可能會在通常穩(wěn)定的整流器中引起振蕩。這是因為每個整流器通過另兩個整流器來“看”干線，導致它成為一個高阻抗的網絡。
因此本發(fā)明的一個目的是在網絡中提供一個穩(wěn)定的虛擬中性點。
本發(fā)明這一目的是由開篇定義的多相整流設備實現(xiàn)的，該設備的特征在于它包括可和所述單相整流器并聯(lián)連接的用于在供電系統(tǒng)內產生中性點的裝置。
通過在該系統(tǒng)中產生一個中性點，可以實現(xiàn)相電壓盡可能一致的三個單相負載呈星形結構的連接方式。
另外，能夠產生和供電系統(tǒng)的中性點獨立無關的中性點，特別是在中性電勢并不位于相矢量系統(tǒng)中間的情況下。
產生中性點的裝置不和供電系統(tǒng)的中性導體相連。
產生中性點的裝置優(yōu)選包括這樣的磁性組件，該磁性組件使得相電壓的矢量和為零。所述產生中性點的裝置優(yōu)選作如此設置，使得相電壓的零序分量短路，而不會影響正和負序分量。
根據(jù)第一優(yōu)選實施例，所述產生中性點的裝置包括對應于每相的一個變壓器，每個變壓器的初級繞組和相應的相按星形結構相連，次級繞組串聯(lián)，而初級繞組的互連點構成所述中性點。
根據(jù)第二優(yōu)選實施例，所述產生中性點的裝置包括對應于每相的一個繞組，每個繞組纏繞在一個公共三柱鐵芯的一個鐵芯柱上，每個繞組的一端連接到相應的相，所述繞組互連，繞組的互連點構成所述的中性點。
根據(jù)第三優(yōu)選實施例，所述產生中性點的裝置包括第一、第二和第三變壓器，每個變壓器包括第一和第二繞組，而每相經一個變壓器的第一繞組和另一變壓器的第二繞組壓和來自所述第一繞組的相反方向按之字耦合方式連接到虛擬中性點。
該第三優(yōu)選實施例的優(yōu)點是，由于沒有采用次級繞組，組件的尺寸可以得到降低，或者繞組中所采用的導體的截面可以增加，由此降低變壓器的阻抗而不必增加組件的尺寸。
根據(jù)本發(fā)明，用于產生中性點的裝置也可以使用于在其相位圖的中心沒有發(fā)現(xiàn)中性點的供電系統(tǒng)中，比如日本所采用的供電系統(tǒng)。
該裝置產生了這樣的一個中性點，相電壓的零序分量和其具有低阻抗連接，而正序和負序分量與其具有高阻抗連接。
將所述產生中性點連接的裝置連接的結果不會影響正和負序電壓分量，也就是說，它不會影響供電系統(tǒng)，構成正序系統(tǒng)。
本發(fā)明要求增加數(shù)量級為整流器功率的5％的磁性分量。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點可以采用任意種類的單相整流器，這樣可以用較低的成本即可實現(xiàn)穩(wěn)定的三相整流器；根據(jù)本發(fā)明的整流器可以用于兩相和三相。
如此實現(xiàn)的虛擬中性點不會給供電系統(tǒng)帶來任何額外的負載；相電壓的零序分量被短路；第三諧波分量和其倍頻被短路；其它優(yōu)點包括從3×400V網絡改變到3×230V網絡的可能性以及在一相缺失的時候工作的可能性。


圖1是基于單相整流器的現(xiàn)有技術的三相整流器；圖2是具有實現(xiàn)虛擬中性點的裝置的三相整流器；圖3是結合三相系統(tǒng)使用的本發(fā)明第一實施例；圖4是結合三相系統(tǒng)使用的本發(fā)明第二實施例；圖5是結合三相系統(tǒng)使用的本發(fā)明第三實施例；
圖6是結合三相系統(tǒng)使用的本發(fā)明第四實施例；圖7和圖8分別是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施例的二相整流器；圖9A-9G是示意本發(fā)明理念的相位圖。
圖1是基于單相整流器的現(xiàn)有技術的三相整流器。三個單相整流器1、3、5的第一初級端和三相網絡的三個相R、S、T相連。第二初級端是互連的，即整流器呈星形結構連接。中性導體N必須是連接的，如圖所示。
每個相的相電壓分別由電壓發(fā)生器7、9、11簡要表示。
圖2是類似圖1所示的三相整流器。三個單相整流器21、23、25的第一初級端和三相網絡的三個相R1、S1、T1相連。第二端是互連的，從而構成虛擬中性點NL1。網絡的中性導體N1未被連接。對于每相，相電壓分別由電壓發(fā)生器27、29和31表示。虛擬中性點產生(ANP)裝置A1和整流器21、23、25并聯(lián)連接。平衡裝置A1包括三個阻抗33、35、37，所述阻抗33、35、37分別和每個整流器21、23和25并聯(lián)連接。阻抗33、35、37的輸出端互連，構成虛擬中性點NA1。
根據(jù)上文，該方案僅在阻抗33、35、37非常小的情況下才是可行的，并且僅用于測試目的。
圖3是本發(fā)明第一實施例的三相整流器。同圖1一樣，三個單相整流器101、103、105和三相網絡的三個相R2、S2、T2相連。三相網絡的中性導體N2不可利用，即未連接。整流器101、103、105的次級端在點NL2互連。三個電壓源107、109、111分別表示在相R2、S2、T2上的電壓。
由三個小變壓器113、115、117構成的ANP單元A2提供了虛擬中性點NA2，該點連接至整流器101、103、105的互連的第二初級端。變壓器113、115、117的初級繞組以星形結構互連。每個初級繞組的一端分別和每個相R2、S2、T2相連。次級繞組按開Δ連接法串聯(lián)連接。
由于ANP裝置的緣故，零序分量被短路，而正和負序分量未受影響。中性電勢將設置在由相電壓矢量構成的三角形的重心處，即相電壓矢量和將為零。這一點將在下文詳細說明。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的三相整流器。同上文一樣，一個三相系統(tǒng)具有三個整流器151、153、155，它們分別和三個相R3、S3、T3相連，整流器151、153、155的次級側在點NL3互連。中性導體N3未被連接。對于每相，相電壓分別由電壓產生器157、159、161表示。如同圖3所示，ANP裝置A3被連接上，該裝置在本實施例中包括第一、第二和第三單相變壓器163、165、167，這三個變壓器分別具有在分立鐵芯上的第一和第二繞組。所有繞組具有相同的圈數(shù)。
所述繞組作如下連接，每個相R3、S3、T3經一個變壓器的一個繞組和另一變壓器的一個繞組按所謂的之字形耦合方式連接到虛擬中性點NA3。繞組的結構例如圖4所示，R相R3經第二變壓器165的第一繞組和第一變壓器163的第二繞組連接。S相S3經第三變壓器167的第一繞組和第二變壓器165的第二繞組連接。T相T3經第一變壓器163的第一繞組和第三變壓器167的第二繞組連接。對第一和第二繞組的選擇是任意進行的，只要每相經兩個不同的變壓器而被連接即可。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的三相整流器。同上文一樣，一個三相系統(tǒng)具有三個整流器201、203、205，它們分別和三個相R4、S4、T4相連，整流器201、203、205的次級側在點NL4互連。中性導體N4未被連接。對于每相，相電壓分別由電壓產生器207、209、211表示。如同圖3所示，ANP裝置A4被連接上，該裝置在本實施例中包括一個具有鐵芯215的三相電感器213，該電感器有三個支路，每個支路上有一個繞組。每個繞組分別連接至相應的相R4、S4、T4，并且所述繞組互連以形成虛擬中性點NA4。
電感器213在相電壓之和為零的場合下的功能如同三個繞組。如果在電壓中出現(xiàn)零序分量，那么相應的通量不能經鐵芯215閉合而必須閉合于周圍空氣中。該零序分量的磁化阻抗是如此之小，使得電感器213的功能就象它對于該分量而言是短路的。在該情況下，鐵芯215將引起圖3所述實施例中串聯(lián)連接的次級繞組所產生的相同效果。
圖6是結合三相系統(tǒng)使用的本發(fā)明第四實施例。同上文一樣，一個三相系統(tǒng)具有三個整流器251、253、255，它們分別和三個相R5、S5、T5相連，整流器251、253、255的次級側在點NL5互連。中性導體N5未被連接。對于每相，相電壓分別由電壓產生器257、259、261表示。如同圖3所示，ANP裝置A5被連接上，該裝置在本實施例中包括一個具有鐵芯265的三相變壓器263，該鐵芯有三個支路267、269、271，每個支路267、269、271上分別有一個初級繞組和一個次級繞組。每個初級繞組分別連接至相應的相R5、S5、T5。次級繞組呈Δ形串聯(lián)連接。所述初級繞組互連以形成虛擬中性點NA5。
圖7所示的實施例類似于圖5所示實施例，該實施例適用于兩相系統(tǒng)，例如它采用兩個200伏整流器串聯(lián)連接以構成400伏的主干電壓。然后該設備使整流器的輸入電壓相同，因為次級繞組迫使于其次級側互連的變壓器將輸入電壓分離為兩個相等的部分。
第一301和第二303整流器分別連接至相R6和S6，而它們的第二初級端在點NL6互連。中性導體N6未被連接。相電壓分別由電壓產生器307、309表示。一個平衡裝置A6和整流器301和303并聯(lián)連接。該平衡裝置包括一個位于相同鐵芯315上的第一311和第二313繞組。在所述繞組間產生虛擬中性點NA6，并且該點連接至整流器301、303的次級側。
圖8是和圖3類似、適用于兩相系統(tǒng)的實施例。
如同上文所述，第一401和第二403整流器分別連接至相R7和S7。整流器401、403的第二初級端互連以形成中性點NL7。相R7、S7上的電壓分別由電壓產生器407、409表示。中性導體N7未被連接。一個平衡裝置A7被連接，它包括兩個變壓器413、415。兩個變壓器413、415的每個初級繞組和一個相連接，并且它們互連從而構成虛擬中性點NA7。所述次級繞組串聯(lián)連接。
通常在次級繞組中沒有電流，而它們的電壓則互相補償。這兩個變壓器電壓之間的任何差別將在次級繞組中產生電流，該電流將恢復均衡流動，導致變壓器將輸入電壓予以平衡。
這也解釋了為什么兩個輸入電壓不能以相反的相振蕩的原因。這樣的振蕩將導致在初級繞組兩端電壓之間出現(xiàn)周期性差別，而這種差別由于次級繞組的緣故是不可能發(fā)生的。
如果ANP裝置未被連接，整流器的中性點NL的電勢可能和供電網絡的中性點處的電勢有所不同，以致于整流器兩端的相電壓將構成一個不對稱的矢量系統(tǒng)。下文，將利用對稱分量原理來分析有相電壓UR、US、UT的這樣的一種不對稱三相矢量系統(tǒng)。
在三相系統(tǒng)中，每相電壓可以由三個電壓分量表示正序，負序，和零序。正序分量有相序列R，S，T，而負序分量的相序是R，T，S，零序分量在所有三個相都是相等的。
如果三相系統(tǒng)中的相電壓構成一個正序列的矢量系統(tǒng)，矢量和可以表示為UR+US+UT＝0(1)如圖9A表示，UR+，US+和UT+分別是一個正序列系統(tǒng)中的相電壓，在該系統(tǒng)中各相之間的相位差是120度。在此情況下，在次級繞組中沒有引入電壓。在圖3的變壓器113，115，117的次級繞組中沒有電流流動，而變壓器的阻抗將非常高，和磁化阻抗相對應。
當相電壓是構成一個負序列系統(tǒng)的UR_，US_和UT_，各相之間的相位差為120度時，矢量和也是零，如圖9B所示。在此情況下，在變壓器113，115，117的次級繞組中沒有引入電壓。在次級繞組中沒有電流流動，而變壓器的阻抗將非常高，和磁化阻抗相對應。
圖9C是一個零序列的矢量系統(tǒng)UR0，US0，UT0，其中次級電壓具有相同的相位，因此相互疊加。在此情況下，在變壓器的次級繞組中有電流流動，次級繞組將短路。每個變壓器將在其初級端有一個短路阻抗，該阻抗一般遠低于整流器的輸入阻抗。
當相電壓構成正序列和負序列矢量系統(tǒng)的一個組合時，它們有不同的大小，它們之間的相位角不再是120度，而它們的矢量和將仍然等于零。
在圖9D，相電壓構成一個圖9A、9B、9C所示正序列、負序列和零序列矢量系統(tǒng)的組合。然后這三相電壓是UR＝UR++UR-+UR0US＝US++US-+US0UT＝UT++UT-+UT0那么這些相電壓具有不同的大小，而它們之間的相角不再是120度。它們的和等于零序列分量的三倍，即3×U0，如圖9E所示。
由于零序列分量的緣故，在短路的次級繞組中有電流流動。每個變壓器113、115、117在其初級側有一個短路阻抗，該阻抗一般遠低于整流器的輸入阻抗。
在一般情況下，中性點被給予一個電勢，使得相電壓UR、US、UT包括正序列、負序列和零序列分量，如圖9D、9E所示。
圖9F表示了一個系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，相電壓是來自供電系統(tǒng)的正系列分量和由整流器中的差異引起的零序列分量的組合。相位圖構成一個三角形RST，中性點NL位于三角形內，但不是在其重心。
圖9G是同一系統(tǒng)在連接了諸如圖3或圖5所示的平衡單元之后的情形。平衡單元產生一個虛擬中性點N’L，零序列分量和該中性點有低阻抗連接，而正序列和負序列分量和該點有高阻抗連接。由圖中可見，虛擬中性點N’L由相對于中性點NL的矢量U0＝UR0＝US0＝UT0代替。
連接平衡單元A1，A2，A4，A5，A6，A7的做法不會影響正和負序列分量，即它不會影響供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)構成一個正序列系統(tǒng)。任何零序列分量被短路，除了每個變壓器的短路阻抗。這隱含著當平衡單元A1，A2，A4，A5，A6，A7被連接上的時候，NL被移動到N’L，如圖9G所示。整流器NL的中性點的電勢移動到N’L，使得相電壓的和變?yōu)榱恪?br> 這繼而又意味著-相電壓將根據(jù)相R和S，S和T，T和R之間的主電壓URS，USS，UTR將分別允許的程度趨于相等。在正序列系統(tǒng)中它們將變得一致。
-相電壓不能振蕩，因為中性點的電勢是固定的。
-中性點電勢中的三次諧波分量以及其倍頻在所有三個相中具有相同的相位，將按零序列分量相同的方式短路。
這樣，在具有中性導體的三相系統(tǒng)中的虛擬中性點按照和供電系統(tǒng)的中性點相似的方式工作，只要變壓器的短路阻抗足夠低到電流不會引起電壓降的程度即可。
在上述討論中，已經假設整流器的初級電流的和近似為零。如果不是如此，在中性點NL和NA之間將有負載電流，導致額外的電壓降。因而變壓器的尺寸會受到影響。
可以看到，圖9G的零序列分量的短路將虛擬中性點轉移到三角形RST的重心處。這一點在圖9G所作的表示是針對對稱三角形RST情形的，但是在更具一般性的不對稱三角形RST情況下也是成立的。
權利要求
1.在具有兩或多個相(R1，S1，T1；R2，S2，T2；R3，S3，T3；R4，S4，T4；R5，S5，T5；R6，S6，T6)的供電系統(tǒng)中使用的多相整流設備，所述設備包括用于每一相的具有第一和第二初級端的單相整流器(21，23，25；101，103；151，153，155；203，205；231，233，235)，每個整流器由其第一初級端連接到相應的相，所述整流器(21，23，25；101，103；151，153，155；203，205；231，233，235)的第二初級端互連；其特征在于它包括可和所述單相整流器并聯(lián)連接的用于在供電系統(tǒng)內產生中性點(NA1；NA2；NA3；NA4；NA5；NA6)的裝置(A1；A2；A3；A4；A5；A6)。
2.根據(jù)權利要求1所述的整流設備，其特征在于所述產生中性點的裝置不和該系統(tǒng)的中性點(NA1；NA2；NA3；NA4；NA5；NA6)相連。
3.根據(jù)上述任一權利要求所述的整流設備，其特征在于所述產生中性點的裝置(A1；A2；A3；A4；A5；A6)包括這樣的磁性組件，該磁性組件如此設置使得相電壓的矢量和為零。
4.根據(jù)上述任一權利要求所述的整流設備，其特征在于所述產生中性點的裝置(A1；A2；A3；A4；A5)作如此設置，使得該系統(tǒng)的零序列分量短路，而不會影響正和負序列分量。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的整流設備，其特征在于所述磁性組件包括用于每相的纏繞在一個公共鐵芯(215；265；315)上的至少一個繞組，每個繞組的一端連接到相應的相(R4，S4，T4；R5，S5，T5；R6，S6)而另一端互連，所述互連點(NA4；NA5；NA6)構成所述的中性點。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的整流設備，其特征在于所述磁性組件包括對應于每相(R2，S2，T2；R7，S7)的一個變壓器(113，115，117；413，415)，每個變壓器(113，115，117；413，415)的初級繞組和相應的相按星形結構相連，次級繞組串聯(lián)連接，而初級繞組的互連點構成所述虛擬中性點(NA2；NA7)。
7.根據(jù)權利要求3或4所述的整流設備，其特征在于所述磁性部件包括第一(163)、第二(165)和第三(167)變壓器，每個變壓器包括第一和第二繞組，而每相(R3，S3，T3)按之字耦合方式經一個變壓器的第一繞組和沿著來自所述第一繞組的相反方向的另一變壓器的第二繞組連接到虛擬中性點(NA3)。
8.供電系統(tǒng)，它包括兩或多相(R1，S1，T1；R2，S2；R4，S4；R5，S5，T5；R6，S6，T6)以及用于每一相的一個單相整流器(21，23，25；101，103；201，203，205；231，233，235)，所述整流器(21，23，25；101，103；201，203，205；231，233，235)的第二初級端互連，其特征在于它包括依據(jù)前述任何一項權利要求的多相整流設備。
全文摘要
一個供電系統(tǒng)具有兩或多個相(R2,S2,T2),用于每一相的一個整流器(101,103,105),還包括在供電系統(tǒng)內產生虛擬中性點(NA2)、和所述整流器并聯(lián)連接的虛擬中性點(ANP)產生裝置(A2)。所述ANP裝置(A2)將系統(tǒng)的零序列電壓分量短路但不影響正和負序列分量。ANP裝置(A2)包括能夠使磁通量的矢量和為零的磁性組件。根據(jù)第一實施例,ANP裝置(A1)包括對應于每相的一個變壓器(113,115,117),每個變壓器的初級繞組和相應的相(R2,S2,T2)按星形結構相連,次級繞組串聯(lián),而初級繞組的互連點構成一個虛擬中性點。
文檔編號H02J3/26GK1308787SQ9980827
公開日2001年8月15日 申請日期1999年5月4日 優(yōu)先權日1998年5月6日
發(fā)明者M·卡爾森, T·沃爾佩特 申請人:埃默森能源系統(tǒng)有限公司