专利名称：三相电抗器及变流电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电抗器应用领域，具体而言，涉及一种三相电抗器及变流电路。
背景技术：
电路中的非线性负载在工作时，会产生高次谐波，从而造成谐波污染，影响供电质量。比如图l所示的逆变器对于输配电线路而言，就属于非线性负载，通过控制逆变电路中高频开关器件的开通与关断，使得电路中能量得以双向流动，实现网侧电流的正弦化。为了抑制逆变器中由高频开关器件产生的谐波污染，可在输配电线路中接入电抗器，电抗器是能有效利用其感应电抗值的电气设备，在电力系统中主要起限流、稳流、无功补偿和移相等作用。图1所示的逆变电路带有一个三相电抗器，A，B，C为该三相电抗器的输入端，U，V，W为其对应的输出端，该三相电抗器的结构图如图2所示，其中A、B、C三相绕组分别绕于"日"字型铁芯的三个芯柱上，由于其实质为3个绕组绕在同一铁芯上，故得到如图3所示的原理图。 相关技术中提供了一种用于多组电路的滤波方法，该方法为每组连接于交流电源的逆变电路配置一个三相电抗器，故当多组电路同时工作时，相应地需要多个独立的三相电抗器。这些三相电抗器主要用于滤除电路中的谐波，比如基于工频50Hz的5次，7次，11次，13次及更高次谐波。这种三相电抗器的相与相之间不存在互感，多个三相电抗器两两之间的电流互不影响。发明人发现相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，只能消除各自电路中的谐波，对整个电路的谐波消除效果较差，且由于采用的电感量较大而造成三相电抗器的体积较大，需要的柜体体积也较大，从而导致制作成本较高。
发明内容
本发明旨在提供一种三相电抗器及变流电路，能够解决相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，对整个电路的谐波消除效果较差，且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种三相电抗器，包括铁芯；N组三相绕组，其中，每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上，N为大于1的自然数。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种变流电路，包括三相电抗器与N个逆变单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个逆变单元中的开关器件为可控开关器件；N个逆变单元中的每个逆变单元的三相交流端分别与N组三相绕组中的每个三相绕组的三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。 为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种变流电路，包括三相电抗器、N个逆变单元，以及N个整流单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个逆变单元中的开关器件为可控开关器件；N个整流单元中的每个整流单元为三相桥式整流电路；N个逆变单元
3中的每个逆变单元的三相交流端与三相负载电连接，每个逆变单元的直流端与每个逆变单
元的直流端电连接，每个逆变单元的三相交流端分别与N组三相绕组中的每个三相绕组的
三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。 优选地，在上述变流电路中，每个整流单元中的开关器件为二极管。 为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种变流电路，包括三相电
抗器与N个背靠背双P丽变换单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及
N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个背靠背双P丽变换单元
中的开关器件为可控开关器件；N个背靠背双P丽变换单元中的每个变换单元的第一三相
交流端与三相负载电连接，每个变换单元的第二三相交流端分别与N组三相绕组中的每个
三相绕组的三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。 上述实施例中的三相电抗器将相关技术使用的多个三相电抗器中各自分开的N
组绕组绕于同一个铁芯上，减小了占用的空间与柜体体积，降低了制作成本，而且由于绕组
集中绕制，其互感抵消了部分谐波，从而更好地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情
况下，改善了滤波效果，所以克服了相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，对整个
电路的谐波的消除效果较差，且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中 图1示出了单组逆变电路的工作电路图； 图2示出了图1中三相电抗器的结构图； 图3示出了图1中三相电抗器的原理图； 图4示出了根据本发明第一实施例的三相电抗器的结构图； 图5示出了根据本发明第二实施例的三相电抗器的结构图； 图6示出了根据本发明第三实施例的三相电抗器的结构图； 图7示出了图6中三相电抗器的原理图； 图8示出了根据本发明第四实施例的变流电路的电路图； 图9示出了图8中三相电抗器的A相等效电路图； 图10示出了图8中三相电抗器的空载实验电路图； 图11示出了图10中空载实验的A相等效电路图； 图12示出了图8中三相电抗器的短路实验电路图； 图13示出了图12中短路实验的A相等效电路图； 图14示出了根据本发明第五实施例的变流电路的电路图； 图15示出了根据本发明第六实施例的变流电路的电路图。
具体实施例方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
图4示出了根据本发明第一实施例的三相电抗器的结构图，该三相电抗器包括
铁芯10 ;
4
N组三相绕组20，其中，每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上，N为大于1的自然数。 本实施例中的三相电抗器将相关技术使用的多个三相电抗器中各自分开的N组绕组绕20于同一个铁芯IO上，减小了占用的空间与柜体体积，降低了制作成本，而且由于绕组集中绕制，其互感抵消了部分谐波，从而更好地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果，所以克服了相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，对整个电路的谐波的消除效果较差，且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。
图5示出了根据本发明第二实施例的三相电抗器的结构图，本实施例中的三个芯柱上分别绕有三相绕组(共有3N个)，最左边的芯柱上绕有N个A相绕组输入分别为A1，
A2，......， AN，输出分别为Ul， U2，......， UN ;中间的芯柱上绕有B相绕组输入分别为
B1，B2，......，BN，输出分别为V1，V2，......， VN ;最右边的芯柱上绕有N个C相绕组输入
分别为Cl， C2，......， CN，输出分别为Wl， W2，......， WN，故三相电抗器共有3N个输入端
口，分别为A1，B1，C1，......，AN，BN，CN ;共有3N个输出端口，分别为U1，V1，W1，......，
UN， VN， WN。其中，输入为Al， Bl， Cl的3个绕组构成一组三相绕组，输入为AN， BN， CN的3
个绕组也构成一组三相绕组，故图3所示的三相电抗器共有N组绕组。 由于上述三相电抗器的N组三相绕组共有3N个输入端口与3N个输出端口 ，故其
连接于电路的方式可灵活选择，即第i组三相绕组(输入为Ai，Bi，Ci，i = 1，2，......，N)
与第j组三相绕组(输入为Aj，Bj，Cj， j = 1，2，......，N)之间的连接关系可灵活配置，
以满足不同的应用需求。 图6示出了根据本发明第三实施例的三相电抗器的结构图，其中N = 2，其中，A1，A2， Bl， B2， Cl， C2为输入端，Ul， U2， VI， V2， Wl， W2为输出端，其A， B， C之间的互感为0， A相绕组之间的互感值为每个绕组电感值的60% 70%， B相绕组之间的互感和C相绕组之间的互感与A相绕组之间的互感相同。2N个绕组的自感值相同，均为每个绕组电感值的30%。 图7示出了图6中三相电抗器的原理图，即图6中三相电抗器的6个绕组实质为绕在同一个铁芯上。该电抗器除了起到通过自感滤除谐波的效果，还可将三路电流中的谐波互相抵消，使电路中的谐波电流减小到输入电流的1/9左右。 在本发明的实施例中，提供了一种变流电路，该变流电路包括三相电抗器与N个逆变单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个逆变单元中的开关器件为可控开关器件(包括半控型开关器件与全控型开关器件)；N个逆变单元中的每个逆变单元的三相交流端分别与N组三相绕组中的每个三相绕组的三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。 本实施例中的变流电路采用根据本发明第一实施例中的三相电抗器，相比相关技术中为每组连接于交流电源的逆变单元配置一个三相电抗器的技术方案而言，本实施例减小了三相电抗器占用的空间与柜体体积，降低了制作成本，而且由于绕组集中绕制，其互感抵消了部分谐波，从而更好地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果，所以克服了相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，对整个电路的谐波的消除效果较差，且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。
图8示出了根据本发明第四实施例的变流电路的电路图，其中N = 2，即本实施例中的三相电抗器包括两组三相绕组，分别用于对两个逆变单元进行滤波；其中的开关器件均为全控型开关器件IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型功率管)。其中的三相电抗器除了起到通过漏感滤除谐波的效果，还使得三路电流中的谐波互相抵消，使电路中的谐波电流减小到输入电流的1/9左右。 在设计电抗器时，虽然可设计得到漏感和互感值，但是无法测得实际值来进行比较，以确定设计的正确性。通过借鉴单相变压器测得励磁电感和漏感的方法，以图8所示的两个三相绕组为例，得到如下的测量电抗器各绕组漏感和互感的方法，包括以下步骤
步骤一，整个三相电抗器共6个绕组，以A1A2两个绕组为例，由于A1A2在同一铁芯柱，故可将其看做一个变压器，令A1为一次侧，A2为二次侧，<formula>formula see original document page 6</formula>可得到如图9所示的A相等效电路图，由于电感绕组的电阻很小，损耗也很小，所以在以下的计算过程中忽略电阻值，即假定电阻为O，且假定各三相绕组的阻抗相等. 步骤二，对图8中三相电抗器进行空载实验，实验接线图如图10所示，读取其中的电表读数，得到Ua、 Ia、 Ub、 Ib、 U。、 I。，从而得到各相的空载阻抗值分别为<formula>formula see original document page 6</formula>
而结合图9，可得到空载实验的A相等效电路图如图ll所示，由图ll有A相空载阻抗值为<formula>formula see original document page 6</formula>
同理可得，B、 C相空载阻抗分别为<formula>formula see original document page 6</formula>
由(1) (6)式可得<formula>formula see original document page 6</formula> 步骤三，对图8中三相电抗器进行短路实验，实验接线图如图12所示，读取其中的电表读数，得到Uak、 Uak、 Ubk、 Ibk、 U。k、 I。k，从而得到各相的短路阻抗值分别为<formula>formula see original document page 6</formula>而结合图9，可得到空载实验的A相等效电路图如图13所示，由图13有A相短路
<formula>formula see original document page 6</formula>
同理可得，B、 C相空载阻抗分别为<formula>formula see original document page 7</formula> 步骤四，联立(7)式与(16)式求解得到ZJ即A1的漏感抗)与Z咖(即A1的互感 抗)，联立(8)式与(17)式求解得到Zm(即B1的漏感抗)与Zbm(即Bl的互感抗)，联立 (9)式与(18)式求解得到Zd(即Cl的漏感抗)与Z。m(即Cl的互感抗)，由于忽略电阻值， 故有|Z| " IXl，又由于X二wL，故根据本步骤中求得的漏感抗与互感抗可得到各三相绕组 相应的漏感值和互感值； 步骤五，类似地，将A2， B2， C2端当作变压器的一次侧，可求得A2， B2， C2的漏感和 互感。 至此，已求出图8中所有绕组的漏感值和互感值。 若N # 2，则在测绕组A1， Bl， CI时，空载试验时，同一铁芯柱的其它线圈开路；短 路实验时，同一铁芯柱的其它线圈短路，其中假定各绕组的阻抗相同。与上述方法类似，可 依次得到各线圈的漏感和互感值。 在本发明的实施例中，提供了一种变流电路，该变流电路包括三相电抗器、N个逆 变单元，以及N个整流单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及N组三 相绕组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个逆变单元中的开关器件为可 控开关器件(包括半控型开关器件与全控型开关器件)；N个整流单元中的每个整流单元为 三相桥式整流电路；N个逆变单元中的每个逆变单元的三相交流端与三相负载电连接，每 个逆变单元的直流端与每个逆变单元的直流端电连接，每个逆变单元的三相交流端分别与 N组三相绕组中的每个三相绕组的三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三相交流 电电连接。 本实施例中的变流电路除了包括N个逆变单元，还包括N个整流单元，本实施例采 用根据本发明第一实施例中的三相电抗器，相比相关技术中为每组连接于交流电源的逆变 单元配置一个三相电抗器的技术方案而言，本实施例减小了三相电抗器占用的空间与柜体 体积，降低了制作成本，而且由于绕组集中绕制，其互感抵消了部分谐波，从而更好地抑制 了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果，所以克服了相关技术中的滤 波方法当多组电路同时工作时，对整个电路的谐波的消除效果较差，且占用空间与柜体体 积较大，制作成本较高的问题。 利用与上述测量方法类似的方法可测量得到本实施例中的三相电抗器的各三相
7绕组的漏感和互感。 图14示出了根据本发明第五实施例的变流电路的电路图，其中N二2，且每个整流 单元为由二极管组成的三相桥式整流电路，这种整流电路以简单的结构实现了较高的直流 电压利用率。 在本发明的实施例中，提供了一种变流电路，该变流电路包括三相电抗器与N个 背靠背双P丽变换单元，其中N为大于1的自然数，三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕 组，其中每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上；N个背靠背双P丽变换单元中的开关器 件为可控开关器件(包括半控型开关器件与全控型开关器件)；N个背靠背双P丽变换单元 中的每个变换单元的第一三相交流端与三相负载电连接，每个变换单元的第二三相交流端 分别与N组三相绕组中的每个三相绕组的三相输入端电连接，每个三相绕组的输出端与三 相交流电电连接。 本实施例中的变流电路除了包括N个逆变单元，还包括N个背靠背双P丽变换单 元元，本实施例采用根据本发明第一实施例中的三相电抗器，相比相关技术中为每组连接 于交流电源的逆变单元配置一个三相电抗器的技术方案而言，本实施例减小了三相电抗器 占用的空间与柜体体积，降低了制作成本，而且由于绕组集中绕制，其互感抵消了部分谐 波，从而更好地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果，所以克 服了相关技术中的滤波方法当多组电路同时工作时，对整个电路的谐波的消除效果较差， 且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。 利用与上述测量方法类似的方法可测量得到本实施例中的三相电抗器的各三相 绕组的漏感和互感。 从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例减小了三相电抗器占用的空间 与柜体体积，降低了制作成本，而且由于绕组集中绕制，其互感抵消了部分谐波，从而更好 地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
8
权利要求
一种三相电抗器，其特征在于，包括铁芯；N组三相绕组，其中，每组三相绕组分别绕于所述铁芯的三个芯柱上，N为大于1的自然数。
2. —种变流电路，其特征在于，包括三相电抗器与N个逆变单元，其中N为大于1的自 然数，所述三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于所述铁芯 的三个芯柱上；所述N个逆变单元中的开关器件为可控开关器件；所述N个逆变单元中的每个逆变单元的三相交流端分别与所述N组三相绕组中的每个 三相绕组的三相输入端电连接，所述每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。
3. —种变流电路，其特征在于，包括三相电抗器、N个逆变单元，以及N个整流单元，其 中N为大于1的自然数，所述三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于所述铁芯 的三个芯柱上；所述N个逆变单元中的开关器件为可控开关器件；所述N个整流单元中的每个整流单元为三相桥式整流电路；所述N个逆变单元中的每个逆变单元的三相交流端与三相负载电连接，所述每个逆变 单元的直流端与所述每个逆变单元的直流端电连接，所述每个逆变单元的三相交流端分别 与所述N组三相绕组中的每个三相绕组的三相输入端电连接，所述每个三相绕组的输出端 与三相交流电电连接。
4. 根据权利要求3所述的变流电路，其特征在于，所述每个整流单元中的开关器件为 二极管。
5. —种变流电路，其特征在于，包括三相电抗器与N个背靠背双P丽变换单元，其中N 为大于l的自然数，所述三相电抗器包括铁芯，以及N组三相绕组，其中每组三相绕组分别绕于所述铁芯 的三个芯柱上；所述N个背靠背双P丽变换单元中的开关器件为可控开关器件；所述N个背靠背双P丽变换单元中的每个变换单元的第一三相交流端与三相负载电连 接，所述每个变换单元的第二三相交流端分别与所述N组三相绕组中的每个三相绕组的三 相输入端电连接，所述每个三相绕组的输出端与三相交流电电连接。
全文摘要
本发明提供了一种三相电抗器及变流电路，该三相电抗器包括铁芯；N组三相绕组，其中，每组三相绕组分别绕于铁芯的三个芯柱上，N为大于1的自然数。本发明减小了占用的空间与柜体体积，降低了制作成本，更好地抑制了电路中的谐波，在总电感量相同的情况下，改善了滤波效果，所以克服了相关技术中的三相电抗器在三组电路同时工作时，对整个电路的谐波的消除效果较差，且占用空间与柜体体积较大，制作成本较高的问题。
文档编号H02M7/44GK101710529SQ20091024143
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者张东胜 申请人:新能动力(北京)电气科技有限公司