用于连续调整及调节变压器匝数比的方法与设备以及装有这种设备的变压器的制作方法

专利名称：用于连续调整及调节变压器匝数比的方法与设备以及装有这种设备的变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在一定的调节范围内对具有至少一个带抽头的调整绕组的电力变压器的初级绕组与次级绕组之间的匝数比进行调节的方法与设备。
在电力供电网中用到了具有各种不同电压等级的电网部分，这些电网部分一般是通过变压器耦合在一起的。由于变压器中至少装有一个带抽头的变压器绕组，借助于开关装置可以选择这些抽头，从而可以在一定范围内逐级调整或调节变压器初级边电压与次级边电压之间的匝数比。
根据所要求的变压器应用情况，在负载状态下通过加载抽头变换器对匝数比进行一或多级调整或调节，或者在变压器断开状态下通过抽头选择器对匝数比作一或多级的半永久性调节。当与电能消耗者相关联的配电站中存在短期及长期性两者的发散的负载位置时，为了保证电压等级处在一个固定范围内就必须调整或调节该供电网中变压器的匝数比。
从测量和计算结果中已经发现，在使用现有的变压器调整与调节设备的情况下，城市电网的电压波动约为额定电压的7％，而效区电网的电压波动则约为额定电压的14％。另外还发现，所有配电站的平均电压要比额定电压高出2％到4％。因而导致变压器中产生不必要的损耗以及电能消耗装置的平均消耗过大。
从发电端到配电端整个线路来看，供电网上的电压波动是由中压电网，低压变压器和低压电网的电压损耗的累计影响所造成的，在这种连接方式中，中压变压器和不能被精确调节的电流感应系统起着分级调整的作用。另外，不同加载的电缆相位或分散的能量生成会造成电网上的电压差异。
本发明的目的首先是以简单又便宜的方式提供在前序中所述的那种方法，与已有技术相比，该方法可以而且在带载情况下明显地使供电网电压调节得比现有技术更快更精确。为此目的，本发明方法的特征是为了获得在调节范围内基本上连续可调的变压器匝数比，在变压器的交流电压的一个周期的一部分期间使第一抽头接通，而在另一部分期间使第二抽头接通。这样，在交流电压的一个周期内，两个抽头分别工作，电流根据各抽头被接通的时间流过该抽头。应当指出，所述接通时间还可以(实际上)等于零。
用从这个方法中得到的改进的带载电压调整设备可以精确、快速地调节带有抽头的变压器的匝数比使得供电网中配电站上的电压接近于额定电压。因此，与迄今所用的调节设备相比，该变压器可以在不提高电压的情况下工作；因而与现有的情况相比可以使平均电压降低2％到4％。根据变压器的空载损耗与电压的关系，变压器的空载损耗将因此降低约5％到9.5％。
降低配电站的电压可以节能，根据在荷兰供电网中的测量结果以及根据EPRI报告EL-3591题为“The Effeets of Reduced VOltage on the Operation andEfficiency of Eleetric Systems”，Volume 1，Project 1419-1，June 1984，平均电压降低2％可以节约电能约1.8％，平均电压降低4％可以节能电能约3.6％。因此，可以为其中含有变压器的的供电网的经营者和为电能消费者节约可观的电能。
另外，还减小了任何时候电网电压与额定电压之间的偏差。
此外，还可能在管理方面以及在中压电网和低电压网的电网结构方面为供电公司节约大量的间接费用。
考虑到站内的电压调整，供电网中的电压问题可以用加不同负载的中间电压相位来解决和管理。
考虑到电网结构，由于变压器可与电网的中压部分的压降无关地进行供电，所以中压电网可以传输更远的距离。因此，可在150KV，50KV，25KV和10KV的电压等级的电网结构上实现节能。
由于电压降不再是电网设计规范的关键，因此还可以减小电缆的截面面积；只有传输容量仍作为设计规范。
与能量反馈相关地，由于根据本发明方法能对电压进行调整而与电力方向无关，因此分离变压器不再需要用于输送电能和接收电能，这样就能够节能。
最后应当指出，在变压器并联工作的情况下，无论并联工作的变压器的短路阻抗差异如何，通过电压调整可以很好地分配电力。
根据本发明方法的第一抽头第二抽头之间的切换最好以脉宽调制进行。从而，能较好地补偿谐波电压。所产生的谐波电流和电压具有频率(通常为50Hz或60Hz)的奇数倍的频率。如果脉宽调制频率至少比交流电压的频率或被补偿的谐波电压或电流的频率高一个数量级，那么就能得到一个其基波频率与交流电压的基本频率相等的校正电压或电流。另外，通过改变脉冲宽度，获得了可以很容易地被调节的电压，电压值基本与第一抽头的接通时间对第二抽头的接通时间的比值成正比。
在另一个优选实施例中，根据本发明的方法中的第一抽头与第二抽头之间的切换是通过相控方式进行的，即接头在特定的相位角处接通，这种控制方式还被称之为相位角控制。调整绕组的电压随着相位角的变化而变化。如果采用单向导通开关，那么通过在电流通过零瞬间的自然换向来进行相位断开。
本发明的下一个目的是提供在介绍如何实现上述目的时提到的那种设备。为此目的，所述设备的特征为多个具有第一端子和第二端子的电子开关，通过控制信号可以使它们单向导通或双向导通，电子开关的第一端子适用于连接到调整绕组的一抽头上，其第二端子适用于连接到至少另一个开关的第一端子或第二端子上；一个用于向这些电子开关提供控制信号的控制设备，控制方式是这样的为使变压器的匝数比在调节范围内基本连续可调，在变压器的交流电压的一个周期内的一部分期间使第一抽头接通，在该交流电压的该周期的另一部分期间使第二抽头接通，第一抽头的接通时间与第二抽头的接通时间的比值取决于输入到控制设备中的变压器匝数比控制信号的值。这样一种切换设备替代一般的机械操作的带载抽头变换器或抽头选择器并会使相关变压器的操作者能快速、准确、基本连续地调节变压器的匝数比。
采用本发明的方法和切换设备，已经得到了一些新的控制设备，如*谐波电压补偿装置。假定变压器的调整绕组处在初级边，本发明的切换设备可以这样来控制使初级边上谐波电压畸变不在次级边出现，从而使次级边电压基本为一个正弦波；*谐波电流补偿装置。再次假定变压器的调整绕组处在初级边，本发明的切换设备可以这样来控制用一个或多个电容器，使初级边电流得到补偿，从而产生一个基本正弦的初级边电网电流。应该指出，谐波电流补偿不能与谐波电压补偿同时进行。
*不对称电压校正装置。如果多相变压器的初级边相电压不对称，那么通过对本发明的切换设备进行对各相的不同地及与其它相无关地控制，就可以对这种不对称进行校正。
*远距离控制装置。一般来说，通过在闭环控制系统中产生一个控制信号来进行对变压器匝数比的调整，待被调节电压的参考信号是由内部产生的。然而，这种电压参考信号还可以由外部产生并从远处输送到切换设备中。
*变压器的并联装置。通过适当的控制就能够消除并联连接的变压器之间的电压差异。例如，为此目的，可以采用主/从控制，主控制系统控制某一个变压器的电压并为另一个变压器的从控制系统产生一个电流调节信号。
最好使切换设备的控制设备适用于通过脉宽调制接通第一抽头和第二抽头。
为此目的，每个开关最好包括一个由两个反向串联连接的晶体管和两个反向串联连接的二极管所组成的并联电路，二极管之间的连接点与晶体管之间的连接点连接起来。在一个具体的实施例中，所述连接点被连接到晶体管的发射极和二极管的阳极上，晶体管的类型为IGBT。
在另一个优选实施例中，切换设备的控制设备适用于通过相位控制在第一抽头和第二抽头之间进行切换的，在这种情况下，开关可以由采用自然换向的反并联连接的可控硅所构成。
在优选实施例中，本发明的设备包括至少一个可以保证加在电子开关两端的电压和其中流过的电流不超过限制值，以便电子开关必须且仅适合于额定电压和额定电流的元件。一方面，这种元件可以被设计成带有一个适于被连接到变压器的调整绕组的一抽头上的第一端子和一个适于被连接到一开关的第一端子或第二端子上的第二端子。另一方面，这种元件可以被设计成带有一个适于被连接到一开关的第一端子的第一端子和一个适于被连接到一开关的第二端子的第二端子。这样的元件的例子有电阻、可控硅、压敏电阻和浪涌电压保护器。与合适的控制设备结合起来可以这样进行保护在变压器发生短路的情况下，使短路电流从限制元件中流过。在变压器接通时，实际电流要比额定电流大几倍的情况下，可以采用同样的保护措施。此外，本发明的切换设备可以由电力变压器本身来馈电，例如由连接到限制元件上的抽头提供。在这种情况下，经该元件接通变压器，然后在变压器稳态工作情况下使切换设备投入工作，因而该切换设备不需要单独的电源。
本发明还涉及一种装有至少一个带抽头的绕组和具有上述切换设备的变压器。
下面参考附图更加详细地对本发明进行解释。在附图中

图1是变压器的示意图，其中一个绕组具有4个或5个连接到本发明切换设备上的抽头；图2示出了图1所示电子开关的替代物；图3是另一种具有一带抽头的绕组的变压器的示意图；图4也是另一种具有一带抽头的绕组的变压器的示意图；这些抽头用于增大变压器的同相调整范围；图5还是另一种在两个不同相绕组上带抽头的变压器的示意图，这些抽头用于三相变压器的同相和正交相调整；图6示出了并到电网中的变压器的简化等效电路；图7示出了在图6所示的电路上采用图8所示的脉宽调制情况下的变压器的输出电压；图8示出了图中的一开关两端的相关电压；
图9说明了在脉宽调制情况下的调整特性；图10说明了在相控情况下流过图6所示变压器的初级绕组的无抽头部分的电流和流过所述变压器的一抽头的电流；和图11说明了在相控情况下图6所示变压器的次级边上电压和流过所述变压器的另一个抽头的电流。
在各个图中，同样的参考数字表示同样的元件或者表示具有同样功能的元件。
以下说明总是以单相变压器为例给出；显然，在多相变压器的情况下，所述和所示电路的个数将与相数一致。
图1示出了变压器2的一相，变压器2包括一个初级绕组4和一个次级绕组6。举个例子，它可以是初级额定电压为10.5kv和次级额定电压为420V的400KVA的变压器。初级绕组4上带有抽头6a、6b、6c和6d，每个抽头都分别连接到一对可控硅8a与10a、8b与10b、8c与10c或者8d与10d的第一端子，每一对可控硅都是反并联连接的。每一对反并联连接的可控硅的另一端子(第二端子)相互连接起来并引到电网端子12h。每一对反并联连接的可控硅(被点划线包围的)是根据输入到控制设备14中的变压器的匝数比控制信号Uref通过控制设备14(此处不作更详细说明)被单独控制的(象征性地用箭头13a到13d表示)。以下将参考图6到图11详细说明控制设备的工作过程。
图1所示的反并联连接的该对可控硅是以自然换向为基础进行工作的，因而特别适合于相控。在脉宽调制的场合可能不得不用强制换向，为此目的例如可以用GTO(门电路断开)元件。在后一种情况下还可以用图2所示的由反相串联连接的晶体管16和18与反向串联的二极管20和22所构成的并联电路，晶体管16和18之间的连接点与二极管20和22之间的连接点相互连接在一起。
在图1中，带有抽头的那部分绕组位于初级绕组4的一端。而在图3中，变压器2a的带抽头的那部分绕组4a位于更靠近绕组的中间。为了简单起见，在图3中及后面的的图中所示的例如开关24a、24b、24c和24d等开关用简化形式表示，但在实际设计中，这些开关包括可控半导体元件，如图1所示电路中的可控硅或者图2所示电路中的晶体管和二极管。为了清楚起见，图3及后面的图中不再画出控制设备。
在图1和图3中，抽头6e或6f分别用虚线表示，它们分别连接到元件26或28上。元件26的另一边连接到端子12上或元件28的另一边连接到开关24a的第一端子。例如在变压器接通或变压器短路时，这些元件用于减小电子开关所承受的电压和电流。在这些情况下，作为开关断开的结果，愈来愈大的电流可以分别流经元件26或28。由于有这些元件因此开关上的电压负荷很小。
在图3中示出，元件26和28还可以与一开关并联，用于保护开关24a的情况，在这种情况下，用虚线表示的元件28与接头6f之间连接关系被用点划线表示的连接关系所代替。
只有当变压器2或2a各自处于正常的稳态情况下开关才工作，当变压器接通或变压器短路时，开关是不工作的。这意味着提供给开关的控制设备的电力可以从变压器巳获得，因为只有当变压器工作时才需要电力。
图4所示的变压器含有初级绕组30，初级绕组30实际上包括根据图3的绕组4a的一串联电路，用于增大电压同相的调整范围。
在图1、3和4所示的变压器电路中总是存在所谓的同相调整，即同一相中的电压调整。图5示意性地表示对不同变压器铁芯上的绕组的同相与正交调整的组合情况，即同时调整。图5所示变压器2c具有一个第一相的调整绕组32，绕组32与另一相的调整绕组34串联连接。
图6示出了一个具有初级主绕组36和初级绕组部分40的变压器2d。初级主绕组36上有一个电阻38，初级绕组部分40上有一个电阻42。初级绕组36、40上各有一个分别连接到开关46a和46b的一边上的抽头44a和44b。开关46a和46b的另一边相互连接并连接到电网的电源端，电网用由电源48和电感50的简单形式来表示。
含有电阻54的次级绕组52连接到负载阻抗56上，输出电压u2加到负载阻抗56的两端，电压u3加到开关46a的两边。
采用脉宽调制方式工作时，开关46b从断开的位置开始被闭合，开关46a从闭合的位置开始被断开，以从图8可基本推出的节奏进行。根据图8，接通时间是开关46a断开时间的3到4倍。在图示情况下，脉宽调制的频率(1KHz)是待被调制的电压频率(50Hz)的20倍。从图7所示的变压器2d的输出电压u2中可明显看到在开关46a断开时(与开关46b闭合的时间相对应)的电压高于其余时间内的电压，因此电压u2的有效值处于开关46a永久闭合时所得到的电压值与开关46b永久闭合时所得到的电压值之间。显然，通过连续改变脉冲宽度就可以连续改变电压u2。
如果将接通因数d定义为开关46b的闭合时间与脉宽调制的开关时间之比，那么变压器输出电压的变化Δu2与接通因数d之间存在如图9所示的关系。所得到的曲线是非线性的，这是由所用的电子开关不是理想开关所造成的。
为了达到图10和图11所示的效果，假定图6所示电路中的开关46a和46b由反并联连接的可控硅构成，在对应于相位角α和180°+α的时刻开关46a闭合(和开关46b断开)。在图10和11中，在任意垂直刻度上表示了两个周期的流过图6所示变压器2d的初级绕组的无抽头部分的电流i1和流过开关46a的电流ia、流过开关46b的电流ib以及次级电压u2。显然，在对应相位角α和180°+α的时刻，输出电压u2逐步地降低而流过抽头(与开关46a相连)的电流ia经过过零点时，由于在这一时刻开关46a断开和开关46b闭合，电压u2又阶跃式增大。应当指出，为了清楚起见，图中表示的输出电压u2的阶跃变化比实际情况更加明显。通过改变相位角α可以在一定调节范围内连续调节输出电压u2的有效值。
最后应当指出，在本发明方法和设备中，并不总是需要操作两个邻近抽头的开关。切换设备还可以设计成在第n个抽头与第m个抽头之间进行切换，这里n和m是正的自然数，它们之间的差值大于1。这种操作或许是需要的，例如，如果切换设备中有一个开关或者对其控制发生故障，从而使故障开关一直断开而这时变压器仍然不得不保持工作状态时。在这种情况下，通过在故障开关两边的两个抽头之间进行切换，可以调节出所要求的电压。
权利要求
1.用于在一定调节范围内对具有至少一个带抽头(6a、6b、6c、6d)的调整绕组的电力变压器(2；2a；2b；2c；2d)的初级绕组(4)和次级绕组(6)之间的匝数比进行调节的方法，其特征为为了获得在调节范围内基本连续可调的变压器匝数比，在变压器(2；2a；2b；2c；2d)的交流电压的一个周期的一部分期间使第一抽头(6a，6b，6c，6d)接通在另一部分期间使第二抽头(6b，6c，6d，6a)接通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为第一和第二抽头(6a，6b，6c，6d)之间的切换是以脉宽调制方式进行的。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征为脉宽调制的频率至少比交流电压的频率高一个数量级。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征为第一和第二抽头(6a，6b，6c，6d)之间的切换是以相控方式进行的。
5.根据权利要求1到4中的一个权利要求所述的方法，其特征为当变压器(2；2a；2b；2c；2d)基本处于稳态工作情况时进行切换，当变压器(2；2a；2b；2c；2d)基本上不处于稳态工作情况时，不接通任何抽头。
6.用于在一定调节范围内对具有至少一个带抽头(6a，6b，6c，6d)的调整绕组的电力变压器(2；2a；2b；2c；2d)的初级绕组(4)和次级绕组(6)之间的匝数比进行调节的切换设备，其特征为多个具有第一端子和第二端子的电子开关(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d；16，18；24a，24b，24c，24d；46a，46b)，可通过控制信号(13a，13b，13c，13d)使其单向导通或双向导通，这些电子开关的第一端子适用于连接到调整绕组的抽头(6a，6b，6c，6d)上，其第二端子适用于连接到至少另一个开关(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d；16，18；24a，24b，24c，24d；46a，46b)的第一或第二端子上；和一个用于向这些开关(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d；16，18；24a，24b，24c，24d；46a，46b)提供控制信号(13a，13b，13c，13d)的控制设备(14)，控制方式是这样的为获得在调节范围内基本连续可调的变压器匝数比，在变压器(2；2a；2b；2c；2d)的交流电压的一个周期的一部分期间使第一抽头(6a，6b，6c，6d)接通，在另一部分期间使第二抽头(6b，6c，6d，6a)接通，第一抽头与第二抽头(6a，6b，6c，6d)的接通时间的比值取决于输入到控制设备(14)中的变压器匝数比控制信号的值。
7.根据权利要求6所述的切换设备，其特征为控制设备(14)适用于通过脉宽调制方式在第一和第二抽头(6a，6b，6c，6d)之间进行切换。
8.根据权利要求6或7所述的切换设备，其特征为每个开关包括由两个反向串联连接的晶体管(16，18)和两个反向串联连接的二极管(20，22)所组成的并联电路，二极管(20，22)之间的连接点与晶体管(16，18)之间的连接点连接起来。
9.根据权利要求8所述的切换设备，其特征为晶体管(16，18)的类型为IGBT。
10.根据权利要求6的切换设备，其特征为控制设备(14)适用于通过相位控制方式在第一和第二抽头(6a，6b，6c，6d)之间进行切换。
11.根据权利要求10所述的切换设备，其特征为这些开关包括反并联连接的可控硅(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d)。
12.根据权利要求6到11中的任何一条权利要求所述的切换设备，其特征为至少有一个元件(26；28)，用于限制电子开关(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d；16，18；24a，24b，24c，24d)两端的电压和其中流过的电流，使它们分别不超过一定的电压或电流限制值，该至少一个元件(26；28)带有一个适用于连接到变压器(2；2a)的调整绕组的抽头(6e；6f)上的第一端子和一个适用于连接到开关(8a，8b，8c，8d，10a，10b，10c，10d；16，18；24a，24b，24c，24d)的第一或第二端子上的第二端子。
13.根据权利要求6到11中的任何一个权利要求所述的切换设备，其特征为至少有一个元件(28)，用于限制电子开关(24a)两端的电压和其中流过的电流，使它们分别不超过一定的电压或电流限制值，该至少一个元件(28)带有一个适用于连接到开关(24a)的第一端子上的第一端子和适用于连接到开关(24a)的第二端子上的第二端子。
14.根据权利要求12或13所述的切换设备，其特征为元件(26，28；27)由电阻，可控硅、压敏电阻或浪涌电压保护器构成。
15.根据权利要求6到14中的任何一条权利要求所述的切换设备，其特征为它是由变压器(2；2a；2b；2c；2d)供电的。
16.具有至少一个带抽头(6a，6b，6c，6d)的调整绕组和具有权利要求6到15中的任何一条权利要求所述的切换设备的变压器(2；2a；2b；2c；2d)。
全文摘要
一种用于在一定的调节范围内对具有至少一个调整绕组的电力变压器(2)的初级绕组(4)和次级绕组(6)之间的匝数比进行连续调节的方法与设备。在该方法与设备中,在变压器(2)的变流电压的一个周期的一部分期间使第一抽头(6a,6b,6c,6d)接通,在另一部分期间使第二抽头(6a,6b,6c,6d)接通。为此目的,该设备包括用晶体管或可控硅构成的电子开关(8a,8b,8c,8d,10a,10b,10c,10d)。
文档编号G05F1/20GK1192281SQ96195909
公开日1998年9月2日 申请日期1996年7月26日 优先权日1995年8月1日
发明者保卢斯·赫拉尔杜斯·约翰尼斯·玛丽, 亚·阿瑟莱曼, 扬·亨德里克·格里菲约恩, 帕沃尔·鲍尔, 格拉尔杜斯·克里斯托弗尔·格里菲逊, 舒尔德·瓦尔特·海罗·德哈恩, 科梅利斯·约瑟夫斯·范德沃特 申请人:埃内科有限公司