含有移相线圈的三相隔离变压器及供配电系统的制作方法

1.本发明涉及隔离变压器及供配电系统，特别是涉及一种含有移相线圈的三相隔离变压器及数据中心用的供配电系统。


背景技术：

2.随着通信产业和云计算产业的发展，数据量不断攀升，数据中心的建设有着巨大的潜力，对应用在数据中心中的变压器的产品性能及经济成本性有着更高的要求。所述数据中心用电负载特点，是既包括有交流用电负载包括市电等级的交流照明、空调、办公等，更多是的直流用电负载例如包含ups模块的服务器主机等。现有的数据中心用变压器，一般采用多台三相交流输出的隔离变压器为后端的交流用电负载和直流用电负载分别供电。
3.例如专利申请号为202011609352.9，名称为“一种交直流供电电源及系统”的技术方案，公开了一种交直流供电电源，包括具有第一直流母排的交直流变换装置，用于连接负载的第二直流母排和多个dc/dc转换器，多个所述dc/dc转换器的输入端并联后连接至所述第一直流母排、输出端并联后连接至所述第二直流母排；其中所述交直流供电电源包括副边具有多组延边三角形直流负载绕组的移相变压器和所述第一直流母排，每组所述延边三角形直流负载绕组上连接有一个ac/dc转换器，且所有的所述ac/dc转换器的输出端并联后连接至所述第一直流母排。再例如申请号为202011522174.6，名称为“供电系统及数据中心”的发明技术方案也作出了基本类似的供电结构安排。
4.上述现有技术方案披露了采用移相变压器拖动后端的直流负载（ac/dc转换器）的技术方案，从而可知数据中心的交流负载必须利用其它交流变压器来拖动。例如专利申请号为201910833569.9，发明名称为“供电系统、供电方法及数据中心”，包括第一供电电路，第一供电电路的输入端用于与供电能源连接，第一供电电路的输出端用于与负载连接；包括第二供电电路，第二供电电路包括变压电路和整流电路，变压电路的输入端用于与供电能源连接，整流电路的输入端与变压电路的输出端连接，整流电路的输出端用于与负载连接。所述变压电路包括变压器，所述变压器连接于所述整流电路的输入端和供电能源之间；不同组所述整流模块组的整流模块的触发角之间的差值为y＝d/m，其中d为所述变压器的移相角，m为所述整流模块组的数量。该方案中的负载是包含了交流负载和直流负载的一种混合用电模块，披露了从市电端到终端负载端采用至少两条供电线路平行供电，第一供电电路为从市电端到负载端的交流负载供电，而另外又采用第二供电电路为从市电端到负载端的直流负载供电。这样导致的主要问题包括：1，必须采用多台隔离变压器建立从市电端到终端负载端的几个相互隔离的供电电路，电路复杂且建设造价成本高；2、出于电气安全隔离考虑，相互隔离的供电电路必须彼此较大距离的电隔离从而导致占地面积大，进一步加剧综合建设造价成本高，潜在故障率也高；3，变压器效率低，耗能高。这些问题显然值得思考，存在进一步改进和改善的空间。
5.发明专利内容
6.为了解决上述背景技术中提出的至少一个问题，或者能够优化和改善现有设计的
能效，本发明首先提出一种新的含有移相线圈的三相隔离变压器产品，包含初级绕组、铁芯柱和次级绕组；其特征在于，次级绕组包括辅助供电绕组和直流负载绕组，其中在同一根铁芯柱上安装有相互电隔离的初级线圈和次级线圈，所述次级线圈包括相互电隔离的至少一个交流负载线圈和多个移相线圈，所述交流负载线圈布置在所述移相线圈的内侧，三根铁芯柱上的交流负载线圈组成三相的辅助供电绕组用于向交流负载回路供电，三根铁芯柱上的移相线圈组成三相的直流负载绕组用于向直流负载回路供电。
7.其中，所述初级绕组包含有初级线圈，所述次级绕组包含有次级线圈，对于布置在同一根铁芯柱上的初级线圈与次级线圈，所述初级线圈与次级线圈之间可以是分隔开的，也可是所述交流负载线圈布置在初级线圈的内侧，多个所述移相线圈布置在初级线圈的外侧，三种电线圈之间相互电隔离开。
8.其中，所述交流负载线圈，为终端的市电交流负载例如交流照明设备、空调等直接提供交流电能输出，三相的交流负载线圈可以y或
△
形接法形成三相的辅助供电绕组并直接输出交流电能向交流负载回路供电；而所述移相线圈，本身输出交流电能向直流负载回路供电，所述直流负载回路包括回路中设置的交流变直流的整流器件例如ac/dc整流模块及直流母排，它们为终端的直流负载例如信息中心用的服务器等提供直流电能。
9.三根铁芯柱上的可以布置多于一组（例如1、2或3组）的辅助供电绕组，分别位于三根铁芯柱上的三个辅助供电线圈连接构成一组辅助供电输出绕组，所述辅助供电输出是指为交流负载提供电能的输出端。
10.其中，每根铁芯柱上安排的移相线圈的数量，可以根据负载本身大小以及整流模块的容量等因素综合情况设计确定，例如每根铁芯柱上可以是设置3到20个移相线圈或者更多，三根铁芯柱上的全部移相线圈也对应地形成3到20组或者更多的直流负载绕组，分别位于三根铁芯柱上的三个移相线圈构成一组直流负载输出，不同的直流负载绕组在移相范围内（一般是-30
°
到+30
°
之间）所布局的输出移相角度不同，所述直流负载输出是指为直流负载提供电能的输出端。不同直流负载绕组之间具有移相角度差，一般来说，连接于不同移相角度的直流负载绕组的整流模块的触发角之间差值与直流负载绕组的移相角适配。
11.在另一种应用中，还可以将上述的3到20组的直流负载绕组（一个小组），再重复布置一遍即布置二个甚至三个小组的直流负载绕组。对于这些数量比较多的直流负载绕组，可以在沿轴向布置几个线圈的基础上，再沿径向层叠布置在所述初级线圈的外侧。
12.进一步的，本发明提出一种供配电系统，包括上述任一结构的隔离变压器及配置在所述隔离变压器输入侧的高压配电柜、配置在所述隔离变压器输出侧的辅助供电柜和直流负载配电柜，所述高压配电柜出线端与所述隔离变压器的三相初级绕组电连接，所述隔离变压器的辅助供电绕组与所述辅助供电柜的入线端电连接，所述隔离变压器的直流负载绕组与所述直流负载配电柜的入线端电连接。
13.根据上述技术方案，可以发现其有益的技术效果在于，第一，利用1台本发明公开的隔离变压器，就能建立用于供应交流负载及直流负载的两个供电电路，至少节省了高压部分的占地空间，缩短了高低压连接电缆的布线长度；而且对于一个单元的数据中心负载，用本发明的一台变压器就能完成至少两台传统变压器才能完成的工作；第二，便于整齐紧促地排列变压器出线侧的控制电柜；第三，利用次级布置的多个移相线圈所组成的直流负载绕组，能够较好地滤掉次级绕组中出现的高次谐波，大大减轻了用户侧的谐波干扰，也能
提高负载端的服务器的运行安全性。
14.进一步的技术方案还可以是，所述三相初级绕组的电压等级为10kv用于直接接入10kv高压线路，所述辅助供电绕组的电压等级为400v绕组用于输出400v市电，所述直流负载绕组的输出电压适配于整流模块。这样本发明的变压器能够将高压电直接转换为低压电，提高了效能。基于应用电压等级为10kv的隔离变压器的供配电系统，就可以直接将电压等级为10kv高压电变配为市电甚至更低电压的配电系统。
15.进一步的技术方案还可以是，在所述初级绕组、次级绕组中分别设置有温度探头，用于检测并输出线圈的温度信号。其中所述温度探头可以与后面提及的中央控制器信号连接，而所述中央控制器能够根据所述温度探头所检测并提供线圈的温度信号，自动控制所述隔离变压器的进线开关和出线开关是否开合，还可以进一步实施报警。
16.进一步的技术方案还可以是，所述直流负载配电柜中布置有ac/dc整流模块及直流母排，所述整流模块用于将所述直流负载绕组的移相线圈所提供的交流信号予以整理成直流信号并输出给所述直流母排，所述直流母排用于向直流负载提供直流电源。进一步的技术方案还可以是，每个移相线圈的输出端至少连接一个ac/dc整流模块。ac/dc整流模块也即将交流变为直流的整流器，在控制器的控制下工作输出直流240v、64v、48v、36v或12v的直流电压电能中的一种电压。不同直流负载配电柜中的直流母排之间可以设置有隔离开关，所述直流母排也称为汇流排，终端的直流负载都接到所述直流母排上。
17.进一步的技术方案还可以是，还包括储能装置，所述储能装置通过储能控制器连接到所述直流母排。所述储能装置也成为蓄电池组，所述储能控制器用于向蓄电池组充电或逆向释放直流电能到汇流母排。
18.进一步的技术方案还可以是，还包括配置在所述辅助供电柜或直流负载配电柜侧边的中央控制柜，所述中央控制柜中设置有中央控制器，所述中央控制器与设置在所述高压配电柜、辅助供电柜或/和直流负载配电柜中的控制开关信号连接。
19.由于本发明具有上述特点和结构简单的优点，为此能够应用于需要交流负载和直流负载的供配电系统中。
附图说明
20.附图1，是应用本发明的供配电系统电气结构示意图；
21.附图2，是应用本发明的供配电系统布局结构示意图；
22.附图3，是应用本发明的三相隔离变压器100的立体结构示意图；
23.附图4，是应用本发明的三相隔离变压器100的绕组相位排布图示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图对实施本公开技术方案的含有移相线圈的三相隔离变压器及供配电系统的具体实施结构作出说明。如图1、图2所示，一种供配电系统，包括三相的隔离变压器100及配置在所述隔离变压器100输入侧的高压配电柜101、配置在所述隔离变压器100输出侧的辅助供电柜102和直流负载配电柜103。所述隔离变压器100也可以集成在一个单独的配电柜中，所述高压配电柜101、隔离变压器100、辅助供电柜102和直流负载配电柜103依次布置在一个单元房间内，其中所述隔离变压器100、高压配电柜101的电压等级为10kv，室
外10kv三相五线高压电缆驳接到所述高压配电柜101的输入端子上，所述高压配电柜101内至少配置有高压隔离开关甚至还可以安装过载保护开关，所述高压配电柜101输出端子经过高压电缆再连接到所述隔离变压器100的三相初级绕组的接线端子上。
25.如图3、如图4所示，所述隔离变压器100是三相的隔离型变压器，包括三根铁芯柱1，在三根铁芯柱1上布置有三相的初级绕组和三相的次级绕组。
26.三相的所述初级绕组的电压等级为10kv，每相包括有初级线圈2，分别安装在三个所述铁芯柱1上三个初级线圈2连接构成一组三相的初级绕组，也是变压器的高压输入绕组。
27.所述次级绕组包括辅助供电绕组和直流负载绕组。其中在同一根铁芯柱1上安装有相互电隔离的初级线圈2和次级线圈。所述次级线圈包括相互电隔离的一个交流负载线圈31和多个移相线圈32，所述交流负载线圈31布置在所述移相线圈32的内侧，三根铁芯柱1上分别布置的三个交流负载线圈31组成一组三相的辅助供电绕组向交流负载回路供电，三根铁芯柱1上分别布置的三个移相线圈32组成一组三相的直流负载绕组向直流负载回路供电。这样本发明的变压器能够将高压电直接转换为至少两个供电回路，提高了效能。
28.其中，三相的交流负载线圈31可以y或
△
形接法形成所述辅助供电绕组，所述辅助供电绕组的电压等级为400v，用于输出交流400v市电，所述辅助供电绕组的输出端通过引线连接到侧边接线排上布置的相应接线端子上，再通过电线连接到所述辅助供电柜102的输入端，所述辅助供电柜102中配置有控制开关甚至还可以安装过载保护开关，所述辅助供电柜102控制开关的输出端连接交流负载回路并向交流负载回路的终端的市电交流负载例如交流照明设备、空调等直接提供交流电能输出。所述辅助供电绕组至少是一组，在其它进一步改进方案中，所述辅助供电绕组也可以是2组、3组等。
[0029] 其中，所述移相线圈32本身输出交流电能但通过交流变直流的整流器件（ac/dc）例如整流模块4及直流母排5为终端的直流负载例如信息中心用的服务器等间接提供电能输出，每个移相线圈32的输出端至少连接一个ac/dc整流模块4。所述直流负载绕组的输出电压适配于所述整流模块4的工作电压等级，所述整流模块4的输出电压又适配于的直流母排5的工作电压等级。在具体的线路布置时，让所述直流负载绕组的输出端通过侧边的接线端子33及电引线再连接到所述直流负载配电柜103的输入端，所述整流模块4及直流母排5布置在所述直流负载配电柜103中，不同直流负载配电柜103中的直流母排之间可以设置隔离开关，所述整流模块4的输入端通过控制开关电甚至还可以安装过载保护开关连接所述直流负载配电柜103的输入端，所述整流模块4的输出端通过控制开关电连接直流母排5。所述直流母排5的电压等级可以为dc336v、240v、110v、64v、 48v甚至是12v中的一种电压，用于向直流负载例如信息中心用的服务器等提供直流电源。所述直流母排5的输出端还可以通过分立的开关分别连接不同的个体负载设备例如一个服务器主机。
[0030]
在具体实施方案中，如图3所示，所述初级线圈2与次级线圈布置在同一铁芯磁路相同路段上并且所述交流负载线圈31布置在初级线圈2的内侧，多个所述移相线圈32布置在初级线圈2的外侧，三种电线圈之间叠合连接在一起但相互电隔离开，在本实施例中所述初级线圈2与内侧的交流负载线圈31之间、所述初级线圈2与外侧的多个所述移相线圈32之间由于电压等级不同差距悬殊，为此必须彼此做好绝缘隔离。在另一种等同实施方案中，所述初级线圈2与次级线圈虽然布置在同一铁芯磁路上但彼此之间可以是分隔开而位于不同
磁路段。
[0031]
其中，每根铁芯柱1上安排的移相线圈32的数量，可以根据负载本身大小以及整流模块4的容量等因素综合情况设计确定，例如如图4所示，设置3相
×
15个移相线圈32形成15组45路（90脉）输出，15组直流负载绕组在-30
°
到+30
°
之间的相位角范围内具有大致均匀分布的移相角度差，一般来说，连接于不同移相角度的直流负载绕组的整流模块4的触发角之间差值与直流负载绕组的移相角适配。如图4所示，以15组直流负载绕组（45个线圈）为一个小组，总共设置了二个小组的直流负载绕组共90个线圈。15组直流负载绕组所构建的一个小组所布置的移相角度分别是：0
°
、-4.3
°
、+4.3
°
、-8.6
°
、+8.6
°
、-12.9
°
、+12.9
°
、-17.1
°
、+17.1
°
、-21.4
°
、+21.4
°
、-25.7
°
、+25.7
°
、-30
°
、+30
°
。每个绕组之间的移相角度差基本上为4.3
°
（60除以14≈4.3），通过这些移相角对称分布的结构，能够有效地消除奇次谐波。
[0032]
进一步的，在所述直流负载配电柜103的侧边还布置有储能装置（图中未画出），所述储能装置是蓄电池组，所述蓄电池组通过储能控制器连接到所述直流母排5。所述储能控制器与所述中央控制器信号连接，用于双向工作，既能向所述蓄电池组充电，又能向所述直流母排5释放电能。
[0033]
进一步的，在所述初级绕组、次级绕组中分别设置有例如型号为pt100温度探头（图中未画出），在所述直流负载配电柜103的侧边还设置有专门的中央控制柜104，所述中央控制柜104中设置有中央控制器，所述温度探头信号连接所述中央控制器；其次所述高压配电柜101、辅助供电柜102和直流负载配电柜103中的控制开关也全部信号连接所述中央控制器，这样利用所述中央控制器不仅能够将所述高压配电柜101、辅助供电柜102和直流负载配电柜103中的控制开关关联控制起来，而且也能响应所述温度探头提供的变压器温度信号，实施报警或控制初级侧高压开关或低压侧的低压开关。其次，在所述中央控制柜104中还可以设置远程通讯单元，所述中央控制器能够通过所述远程通讯单元将各种电压、电流、用电量、温度等各种信号与远程控制或监控中心进行交互。
[0034]
本公开实施例的变压器及所应用的供配电系统，不仅能够将高压直接转变的低压从而简化了高压供电回路的结构，而且由于隔离变压器同时具有两个负载性质的输出回路，从而又进一步简化了供电回路的结构以及变电环节的配置，从而简化了整个供配电系统的结构，降低了综合建设成本。