专利名称：感应滤波整流变压器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种供电整流变压器，特别是涉及一种兼有整流、换流与 补偿、滤波功能的感应滤波整流变压器。
背景技术：
现代电力系统非线性负荷比重逐步增多，较突出的是整流负荷和电弧炉负 荷，后者包括交流或直流炼钢，无论哪种炼钢，其电流脉动如同整流供电一样, 也是间隙性导通和开断，迫使供电网的电流波形发生畸变，除工频基波外，还 有多种高次谐波含量，谐波电流从变压器输出侧注入，形成谐波电流源，经供 电变压器绕组向原方系统电网流窜，对通过回路及相邻设备带来多方面的不良影响。传统的治理谐波的方法是无源滤波，常用CL元件构成的滤波器，把后者 接在电源母线上，利用调谐方法降低其阻抗值，使之对注入的n次谐波电流予 以分流，如滤波支路的等值阻抗Z^L-Xc/n，则在该次谐波频率下，其感抗与 串接的容抗相抵消，并联支路的零阻抗把该次谐波电流全吸引分流掉，滤波效 果最好。但为避免谐振过电压和谐波放大，实际选用的XL-KsXc/n2， Ks为大于 1的安全系数，通常要求该系数取值不宜太小，这样便明显削弱了滤波效果。有 源滤波器是以电力电子元器件组成的换流装置，将备有的直流源提供的直流按 跟踪检测与自动控制方式，实时逆变为相同于畸变波形但方向相反的补偿电流。 该技术在工业发达国家早有应用，但其技术实施难度大，配套设备复杂，成本 费用高，至今未能得到广泛应用。实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种既能避免无 源滤波器发生谐振过电压和谐波放大，又能达到有源滤波器对畸变电流作出实 时补偿与消除而无需备有谐波发生源与复杂控制设备的感应滤波整流变压器。本实用新型所采用的技术方案是其包括原方绕组和副方输出绕组，其 特征在于，副方还设有对谐波即时清除的屏蔽绕组，所述原方绕组和副方输出
绕组及屏蔽绕组在铁芯圆柱体上同心布置，输出绕组套装在铁芯圆柱体的内层， 原方绕组布置在铁芯圆柱体的最外层，屏蔽绕组排列在原方绕组和输出绕组之间的中间层；所述屏蔽绕组与输出绕组串接，与容感调谐支路相连接。所述屏蔽绕组布置在原方绕组和输出绕组之间，目的在于加强屏蔽绕组与输 出绕组的磁路耦合，并加大内层输出绕组与外层原方绕组之间的距离，削弱输 出绕组与原方绕组的联系，使屏蔽绕组的等值阻抗为零，以利实现感应滤波与 谐波屏蔽的作用效果。滤波的技术性能主要决定于屏蔽绕组，也与容感支路的阻抗调谐匹配相关。 本实用新型工作原理设滤除谐波次数为n，在对应的n倍频率下， nXL-Xc/n=0，该零阻抗支路使屏蔽绕组形成短路，在输出绕组含有谐波电流时， 其磁耦作用使屏蔽绕组感生反向电流，而该电流环路的内接绕组与外接支路的 阻抗均为零，通过电流无降压，因而无需相应的电势来维持，则该两绕组的磁 势相反迫使谐波磁通全抵消，故无剩余谐波磁通穿链外层的同相原方绕组，实 现了对原方绕组的谐波屏蔽亦即磁耦的解耦作用，使谐波电流不能越过气隙窜 到原方电网。本实用新型是利用供电变压器绕组的安匝平衡关系实现滤波，故称为感应 滤波，配合零阻抗电路的设计与应用，可把变压、换流与滤波的电磁关系全面 协调起来，改善了产品性能，促进了多功能集成。本实用新型与现有技术相比，具有以下优点(1)本实用新型是抓住谐波源头进行治理，在靠近整流变压器的阀侧和谐 波电流入口处，利用副方引出套管连接的容感支路对谐波频率构成的低阻抗作 用，疏导谐波电流就近返回负荷，而输出绕组通过谐波电流产生的谐波磁通， 又随即被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，阻止了谐波电流向原绕组传送。这 相当于在谐波注入处设置了一座屏障，从源头对谐波进行堵截，但对基波电流 可照常通过。(2)本实用新型开发了变压器的潜能，利用了变压器安匝平衡具有的滤 波作用。虽抽头引出连接的C一L元件与无源滤波的支路相似，但该电路的电流 和电压受到抽头两端耦合绕组的电磁关系的制约，没有谐振过电压和谐波放大
的顾虑，故可选用Xl=Xc/ii2，而不必避开谐振点，取得无源滤波达不到的滤波 效果。本实用新型还利用屏蔽绕组的等值阻抗为零的条件，在感生电流通过环 路时无压降，无需谐波磁通产生的电势来维持，使串联绕组产生的谐波磁通全 部被屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消，后者相似于有源滤波的谐波补偿作用， 它是利用耦合绕组的磁耦感应来完成，无需有源滤波的谐波发生源和控制系统 来实现，取得同样效果，其技术难度和成本费用低廉得多。(3) 本实用新型是在治理电网谐波的同时，也制止了谐波在变压器绕组中 的传送，使谐波对变压器的损害大为縮小，从而改善了整流变换的总体效益。 正常工频电压下，补偿支路的容抗Xc较感抗XL大得多，对负荷无功起着补偿 作用。把无功补偿安排在引出抽头的低压侧，这不仅降低了补偿装置及其开关 设备的电压等级，减少了通过变压器绕组的电流数值，并避免了网侧接入补偿 要防止容性回路与电网感抗可能发生谐振的不安全影响，如整流变压器的副方 绕组没有中问抽头引接无功补偿和滤波设备时，便要在原方网侧高压母线上安 装无源或有源滤波器，不论其滤波效果如何，负荷电流引起的无功和谐波分量 都要通过该变压器进入高压母线，便要在绕组和铁芯中增加附加损耗发热与噪 音振动，导致材料和成本增大，相对比较，本实用新型排除了这些不良成分带 来的有害影响。这对电网安全与补偿设备的自身安全都大有好处。(4) 在多相整流器中，本实用新型弥补了单纯增加脉动数P的不足之处。 增加整流器的脉动数P，是削弱谐波的重要方法之一，随P值的增大，特征谐波 最大的谐波次数随之增大，谐波电流含量的相对值则与此成反比减小，这样做 要增加换流器的数量及其控制的复杂性，还要调整变压器副方的接线组合及其 邻相间的位移角度,这不仅要增大材料的消耗和成本费，而且很难做到全面消 除谐波电流的效果，特别是存在的非特征谐波，是不能靠增大P值所能治理的。 相对比较，本实用新型无上述缺点，这不仅改善了滤波效果，也带来经济节约, 在技术上更胜一筹。(5) 化工与冶金行业的整流电解，以及钢铁企业的电弧炉炼钢，给这类负 荷供电的整流变压器，通常输出侧的电压较低(不到800伏)，而其电流值却甚 高(超过千安培)，不便在邻近阀侧对谐波电流作治理，常用接在髙压线上的无
源滤波器，经调谐低阻抗使之分流。为防谐振过电压和谐波放大，滤波器的调 谐阻抗要避开零阻抗，滤波的剩余电流常较大，如谐波电流就近窜入到旋转电 流成回路，在定子三相形成高速的旋转磁场，以高于同步转速数倍的转速割切 转子，在转子铁芯表面便要感应高频电势的附加电流，引起附加发热和振动与 噪音，在经济和安全上带来不必要的损失。采用本专利产品作整流变压器，在 靠近阀侧装设有屏蔽绕组，借耦合绕组的电磁感应强化对谐波的清除与修补作 用，不仅有利于整流变压器自身的节能降耗，并对相邻电网及其用电设备安全 也很有必要。
图1为本实用新型之单相感应滤波整流变压器实施例原理接线图； 图2为图1所示的实施例的三绕组同心布置示意图； 图3为图1所示的实施例的单相等值电路图；图4为本实用新型之三相六脉动感应滤波整流变压器实施例的原理接线图； 图5为图4所示的实施例三相延边接线电压相量图；图6为本实用新型的六相十二脉动感应滤波整流变压器实施例的原理接线图；图7为本实用新型的三相三绕组感应滤波整流变压器实施例原理接线图。
具体实施方式
以下结合附图积及实施例对本实用新型作进一步说明。 实施例1:如图l-3所示，本实施例为单相感应滤波整流变压器，包括原方绕组l、副 方绕组和铁芯圆柱体4,在副方绕组的中间引出自耦抽头而将该副方绕组分成屏 蔽绕组2和输出绕组3,原方绕组1和屏蔽绕组2及输出绕组3共同布置在铁芯 圆柱体4上，副方输出绕组3布置在靠近铁芯圆柱体4的内层，原方绕组l排 列在最外层，副方屏蔽绕组2布置在副方输出绕组3和原方绕组1之间，副方 屏蔽绕组2的两端与外接容感调谐支路7相接，原方绕组1的两端与电网电源 相连，供电负荷5与串联的副方屏蔽绕组2和输出绕组3并联。
本实施例可为单相的整流负荷或电弧炉负荷供电，也可为电气化铁路的单相牵引变压器或两台单相变压器组合为V形接线的牵引变压器应用，还有其他的特种单相负荷(包括建筑工地起吊、电焊、索道与大型商场的集中空调等)，后 者的输出侧虽不直接与换流器相连接，但供电的负荷性质类似，可利用副方绕 组中间引出抽头改善无功补偿和滤波。按两绕组间的分别短路测知的短路阻抗并换算成同一电压的等值阻抗Z12、 Z13、 Z23,图3中的各等值阻抗可按下式求 得Z「0.5(Z12+ZirZ23)Z2=0.5(Z12+Z13-Z13)Z3=0.5(Z12+Z2rZ12) 两绕组间的短路阻抗与两者中间的距离成正比，则Z》Z13、和Z23分别与 其下标绕组间的幅向距离a,2、 a23和an成比例，由图2看出，a12+a23=ai3，则中 间绕组Z2=0.5(Z12+Z2rZ13)，应与312+&23-313成比例，按对应的距离关系式，不难 得知Z2=0，故同心布置三绕组的中间绕组等值阻抗必定为零。这样，处于外层 与内层之间的中间层绕组便适宜作屏蔽绕组。图3中的In为通过输出绕组3含 有的谐波电流，IF为屏蔽绕组感生的反向滤波电流。Zp为容感调谐支路在滤波 频率下的滤波阻抗，设绕组2与3的匝数分别为W2、 W3，按耦合绕组电磁感应的安匝平衡原理，IpW2应与InW3相等，则穿链该两绕组的谐波磁链必大小相等而方向相反被迫抵消，不可能有多余谐波磁通穿链同心布置的原方绕组，虽闭 环电路有电流通过，但该回路的零阻抗无压降，无需谐波电势与谐波磁势来维持，可对负荷电流中出现的谐波电流In随即予以清除，使副方绕组通过的电压 与电流波形得到修补保持正弦形，避免了因In存在引起变压器铜铁损耗的增大, 特别是对原方电网起到谐波屏蔽隔离作用。图中Zs代表系统的等值阻抗，该支路Z汴Zs与Z2并联，因ZfO,故原方绕组与系统电网不可能对谐波电流起分流作用，这进一步显示Z2-0的重要性。在谐波电流中，以低次谐波的含量相对较大，按特征谐波考虑，本屏蔽谐波的n值，可取3与5。 实施例2
参照图4和图5，本实施例为三相感应滤波整流变压器，原方绕组可为星形 或三角形(图中未画出)，副方绕组采用延边接线具有中间引出抽头的延边三角 形，如图4所示，延边端点u、 v、 w分别与位于阀侧的三相整流设备6连接， 构成六脉动的整流输出并与供电负荷5相连；延边三角形的中间引出抽头a、 b、 c分别与容感调谐支路7相接，其三角形的相绕组相当于实施例1自耦变压器的 公共绕组2，在滤波中起着屏蔽作用，延边绕组相当于实施例l自耦变压器的串 联绕组3;同一相的延边绕组、三角形的相绕组与的原方绕组在铁芯圆柱体上同 心布置。通过谐波电流产生磁通，与实施例1的单相感应滤波整流变压器相似， 要被同相屏蔽绕组感生的反向磁通所抵消。延边绕组相电压Ue与同相的三角形 的相绕组相电压Ud之和、邻相延边绕组相电压Ue和延边绕组输出的相电压U2 构成的相量三角形关系如图5所示，其中9为相对延边绕组产生的相位移角度。 对应图4与图5的几何关系，由正弦定理可得Ue/sin 9 =( Ue +Ud)/sin(60。 一 0 )= U2/sinl20° Ue/U2=2sin9/V3上式代表延边绕组相电压Ue与延边绕组输出相电压U2及其位移角9的相 应关系，据此可用以协调与相关接线的相位，屏蔽谐波的n值可选5与7。 实施例3参照图6，本实施例为由副方两个延边三角形组成的6相12脉波的感应滤 波整流变压器。副方绕组的两组三相输出分别与各自的三相整流设备6连接， 并与供电负荷5相连，两个整流设备6含有可形成12个脉动的晶闸管，相间电 位差为30° ，两个延边三角形绕组中引出的三相抽头，与外加的容感调谐支路 7相连；原有整流变压器按传统接线常将补偿和滤波设备装在网侧高压母线上， 本实用新型把容感调谐支路7从网侧移到靠近阔侧，以使进入变压器绕组的无 功和谐波电流可立即得到补偿和清除。12脉动相位移e的确定12动脉相的相间电位差360° /12=30° ;为此，应使副方绕组的一个延边三角形的延边绕组输出的相电压U2，相对延边绕组相电压Ue与三角形的相绕组相电压Ud之和产生的相位前移，另一个延边三角形的延边 绕组输出的相电压U2相对延边绕组相电压Ue与三角形相绕组相电压Ud之和产
生的相位后移，而前移和后移的相位角9均为15° ,按上述关系知，取9=15° ， 则取得Ue/U产sin15。 /sinl20。 =0.2989， Ud/U2=0.5176， (Ue+Ud) /U2=sin (60° —15° ) /sinl20。 =0.8165，故保持延边绕组与三角形绕组的匝比为 lVUd=0.2989/0.5176=0.5775，取得相位移为15° ，但要注意角度前移与后移的区 别，以使两者间相位差值为30° ，才能取得副方以星形和三角形接线构成的12 相脉动的同样的整流效果。副方绕组引出的中间抽头与外加的补偿设备相连接， 有利于清除负荷电流中无功和谐波等有害成分对变压器和电网系统的不良干 扰。如果整流输出的电流大而电压较高，可将图5中的两个整流桥改为串联向 用户供电。无论采用并联还是串联供电， 一个工频周期的脉动数均为12。对12 脉动相的最大特征谐波次数按P土1计，故n值可取为11与13，可采用n产ll与 n2=13的两个单调谐或包含两个调谐功能的双调谐组件来实现。 实施例4参照图7，本实施例为三相三绕组感应滤波整流变压器，原方绕组1为星形 或三角形接线，副方绕组采用两个三角形，其中三角形输出绕组3'接低压输出 经桥式整流电路6与供电负荷5相连，而三角形屏蔽绕组2'的三相出线与外接 的容感调谐支路7连通，后者构成对谐波感应的电流回路，起到消除谐波的屏 蔽作用。在化工与冶金行业的整流电解供电中，负荷的三相电压较低(不到600 伏)，而其电流却较高(超过千安培)，对应一定的滤波容量安匝值，屏蔽绕组2 不便与输出绕组相接，但在磁路上紧密耦合，以便在三角形输出绕组3'通过电 流含有谐波分量时，屏蔽绕组2'中随即感应产生相应的反方向谐波电流，迫使 谐波磁通相抵消，阻止了谐波电流越过气隙向原方电网传送，滤波效果与上述 的整流变压器是一样的，n值可取为5与7。这样一来,不仅减少了谐波电流通 过变压器绕组引起的损耗和噪音，也避免谐波窜入高压电网造成的危害。
权利要求1、一种感应滤波整流变压器，包括原方绕组(1)和副方输出绕组(3)，其特征在于，副方还设有对谐波即时清除的屏蔽绕组(2)，所述原方绕组(1)和副方输出绕组(3)及屏蔽绕组(2)在铁芯圆柱体(4)上同心布置，输出绕组(3)套装在铁芯圆柱体(4)的内层，原方绕组(1)布置在铁芯圆柱体(4)的最外层，屏蔽绕组(2)排列在原方绕组(1)和输出绕组(3)之间的中间层；所述屏蔽绕组(2)与输出绕组(3)串接，并经中间抽头引出后，与容感调谐支路(7)相连接。
2、 按权利要求1所述的感应滤波整流变压器，其特征在于原方绕组(1) 为星形或三角形，副方屏蔽绕组(2)与输出绕组(3)为具有中间引出抽头(a)、(b)、 (c)的延边三角形，所述延边三角形的中间引出抽头(a)、 (b)、 (c)分 别与延边三相端点(u)、 (v)、 (w)之间形成延边绕组(au)、 (bv)、 (cw)，延 边三端点(u)、 (v)、 (w)分别与阀侧的三相整流设备(6)连接，并与供电负 荷(5)相连；延边三角形的中间引出抽头(a)、 (b)、 (c)分别与外接的容感调 谐支路(7)相连接。
3、 根据权利要求2所述的感应滤波整流变压器，其特征在于延边绕组相 电压Ue、延边绕组输出的相电压U2、三角形的相绕组相电压Ud,三者的关系 为Ue/sine= (Ue+Ud)/sin(60。 一 0 )=U2/sinl20。，艮卩Ue/U2=sin e / V 3 ，其 中"9 "为延边绕组输出的相电压U2相对延边绕组相电压Ue与三角形的相绕 组相电压Ud之和产生的相位移角度。
4、 按权利要求2所述的感应滤波整流变压器，其特征在于副方绕组由两个延边三角形的6相12脉动绕组构成，副方绕组的两组三相输出分别与各自的 三相整流设备连接，两个三相整流设备含有形成12个脉动相的晶闸管，相间电 位差为30° ，两个延边三角形的相绕组中引出的抽头，分别与各自的容感调谐 支路相连。
5、 按权利要求2所述的感应滤波整流变压器，其特征在于副方绕组的一 个延边三角形的延边绕组输出的相电压U2，相对延边绕组相电压Ue与三角形 的相绕组相电压Ud之和产生的相位前移，另一个延边三角形的延边绕组输出的 相电压U2相对其延边绕组相电压Ue与三角形相绕组相电压Ud之和产生的相 位后移，而前移和后移的相位角e均为15° ;实现位移15°的延边绕组相电压 Ue相对延边绕组输出的相电压U2的比值Ue/U2为0.2989，该三角形的相绕组 相电压Ud与延边绕组输出的相电压U2的比值Ud/U2为0.5176,延边绕组相电 压Ue与三角形的相绕组相电压Ud之和与延边绕组输出的相电压U2的比值 Uc+Ud/U2)为0.8165。
6、 按权利要求1所述的感应滤波整流变压器，其特征在于，所述屏蔽绕组 与输出绕组仅有磁耦连系，所述屏蔽绕组和输出绕组与原方绕组同心布置。
专利摘要本实用新型公开了一种感应滤波整流变压器，其包括原方绕组(1)和副方输出绕组(3)，副方设有对谐波即时清除的屏蔽绕组(2)，所述原方绕组(1)和副方输出绕组(3)及屏蔽绕组(2)在铁芯圆柱体(4)上同心布置，输出绕组(3)套装在铁芯圆柱体(4)的内层，原方绕组(1)布置在铁芯圆柱体(4)的最外层，屏蔽绕组(2)排列在原方绕组(1)和输出绕组(3)之间的中间层；所述屏蔽绕组(2)与输出绕组(3)串接，与容感调谐支路(7)相连接。本实用新型既能避免无源滤波器发生谐振过电压和谐波放大，又能达到有源滤波器对畸变电流作出实时补偿与消除而无需备有谐波发生源与复杂的控制设备。
文档编号H01F27/28GK201036134SQ20072006311
公开日2008年3月12日 申请日期2007年4月30日 优先权日2007年4月30日
发明者刘福生 申请人:刘福生