变压器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及变压器。一种变压器，其被设置于电源和具有电阻值R的负载之间，并且包括由n个相互连接的电抗元件构成的二端子对电路，其中，n是等于或大于4的自然数。相对于负载的电阻值R的任何值，二端子对电路的输入阻抗Zin具有：实部k·R，其中，k是常数；以及，虚部0。这样的变压器具有小尺寸和轻重量，并且不需要在传统变压器中使用的线圈和铁芯等。
【专利说明】变压器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压器。
【背景技术】
[0002] 在商用AC输电和配电系统中，使用变压器。就在消费者的房子附近，使用柱式变 压器，其将例如6600V(50Hz或60Hz)变换为200V(参见非专利文献1)。这样的柱式变压器 具有围绕铁芯缠绕的作为导线的厚线圈，并且因此具有相当大的重量。例如，具有直径40cm 和高度80cm的柱式变压器具有大约200kg的重量，包括绝缘油和外壳。
[0003] 另一方面，为了实现作为下一代电力系统的智能电网，正在进行SST(固态变压 器）的研究。对于SST，使用高频变压器（例如，参见非专利文献2)。
[0004] 引用列表
[0005][非专利文献]
[0006]非专利文献I:ChubuElectricPowerCo.，Inc.的主页，[PoleTransformer(柱 式变压器）]，[在线]，[2013年7月19日搜索]，因特网
[0007] <URL:http://www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html>
[0008]非专利文献 2 :Falcones,S.:等人·，PowerandEnergySocietyGeneralMeeti ng，2010IEEE,pp. 1-8,Minneapolis, 2010 年 7 月
【发明内容】
[0009][技术问题]
[0010] 传统的柱式变压器沉重，并且因此不容易处理。另外，在柱上需要大得足以包含变 压器的外部尺寸的附加空间。
[0011] 另一方面，高频变压器不能避免寄生电容的影响，并且在设计上具有困难。
[0012] 考虑到这样的传统问题，本发明的目的是提供一种具有小尺寸和轻重量的创新的 下一代变压器，其不需要在传统变压器中使用的、用于磁耦合、电磁感应或互感的线圈和铁 芯等。
[0013][对于问题的解决方案]
[0014] 本发明是在电源和具有电阻值R的负载之间设置的变压器，该变压器包括由η个 相互连接的电抗元件构成的二端子对电路，其中，η是等于或大于4的自然数，其中，相对于 该负载的电阻值R的任何值，该二端子对电路的输入阻抗Zin具有：实部k·R，其中，k是常 数；以及，虚部0。
[0015] 注意，电抗元件是具有电感电抗的电感器或具有电容电抗的电容器。
[0016][本发明的有益效果]
[0017] 使用本发明的变压器作为电力变压器使得不必使用包括线圈和铁芯等的传统变 压器。因此，变得有可能实现变压器的显著的尺寸减小和重量减小，并且由此实现成本减 小。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是示出使用二端子对电路（四端子电路）的变压器的概念的图。
[0019] 图2是示出构成电路的元件的元件数量的概念的图。
[0020] 图3是示出可以通过使用最小元件数量4而建立的电路配置的四种模式的图。
[0021] 图4是示出4A型的电路配置的图。
[0022] 图5是示出作为4A型的电路配置的实际示例的6种模式的图。
[0023] 图6是示出4B型的电路配置的图。
[0024] 图7是示出作为4B型的电路配置的实际示例的6种模式的图。
[0025] 图8是示出4C型的电路配置的图。
[0026] 图9是示出作为4C型的电路配置的实际示例的6种模式的图。
[0027] 图10是示出4D型的电路配置的图。
[0028] 图11是示出作为4D型的电路配置的实际示例的两种模式的图。
[0029] 图12是电路图，其中，（a)示出η= 5的电路配置的第一示例，并且（b)示出T形 电路。
[0030] 图13是电路图，其中，（a)示出n = 5的电路配置的第二示例，并且（b)示出π形 电路。
[0031] 图14是电路图,其中，（a)示出η= 6的电路配置的第一示例，并且（b)示出η= 6的电路配置的第二示例。
[0032] 图15是示出具有另一种配置的变压器的电路图。
[0033] 图16是电路图，其中，（a)示出当在图15中的四个开关中的、在上侧上的两个开关 接通并且在下侧上的两个开关断开时的大体连接状态，以及，（b)以阶梯状形状示出与（a) 中相同的电路图。
[0034] 图17是电路图，其中，（a)示出当在图15中的四个开关中的、在下侧上的两个开关 接通并且在上侧上的两个开关断开时的大体连接状态，以及，（b)以阶梯状形状示出与（a) 中相同的电路图。
[0035] 图18是分别示出向图15中的变压器的输入电压和输入电流的波形图。
[0036] 图19是分别示出图15中的变压器中的变换的中间级处的电压和电流的波形图。
[0037] 图20是分别示出来自在图15中的变压器的输出电压和输出电流的波形图。
[0038] 图21是示出在图15中所示的变压器和具有4A型的电路配置的变压器的组合的 电路图。
[0039] 图22是示出在图15中所示的变压器和具有4B型的电路配置的变压器的组合的 电路图。
[0040] 图23是示出在图15中所示的变压器和具有4C型的电路配置的变压器的组合的 电路图。
[0041] 图24是示出在图15中所示的变压器和具有4D型的电路配置的变压器的组合的 电路图。
【具体实施方式】
[0042] [实施例的总结]
[0043] 本发明的实施例的总结至少包括下面的部分。
[0044] (1)变压器被设置在电源和具有电阻值R的负载之间，并且包括由η个相互连接的 电抗元件构成的二端子对电路，其中，η是等于或大于4的自然数。相对于负载的电阻值R 的任何值，二端子对电路的输入阻抗Zin具有：实部k · R，其中，k是常数；以及，虚部0。
[0045] 如上所述的变压器可以获得与输入电压成比例的输出电压，与负载的电阻值R无 关。即，可以获得使用恒定的电压变换比率（l/k)1/2将输入电压变换为输出电压的变压器。 使用上面的变压器作为变压器使得不必使用传统的商用频率变压器或高频变压器。因此， 可以实现变压器的显著的尺寸减小和重量减小，并且结果，可以实现成本减小。而且，也解 决了在高频变压器中产生的寄生电容和出现磁场泄漏的问题，并且因此，可以实现具有低 损耗的变压器。
[0046] (2)在⑴的变压器中，优选的是，在其中四个电抗元件的电抗是X1J2JjP X4的 情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的一条线上存在的X1、在其两条线 之间存在的X2、在该一条线上存在的X3和在该两条线之间存在的X4构成，并且满足下面的 条件。
[0047] (1/%) + (1/%) + (1/%) = ο Λ x2+x3+x4 =〇
[0048] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X2Vx42) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0049] 注意，符号"Λ"表示逻辑与或与（以下，这也适用）。
[0050] (3)在（1)的变压器中，优选的是，在其中四个电抗元件的电抗是XpXyXjP X4的 情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的两条线之间存在的X1、在其一条 线上存在的X2、在该两条线之间存在的X3和在存在的X4构成，并且满足下面的条件。
[0051] XfXdX3 =0Λ (l/x2) + (l/x3) + (l/x4) =0
[0052] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X1VX32) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0053] (4)在（1)的变压器中，优选的是，在其中四个电抗元件的电抗是XpXyXjP X4的 情况下，二端子对电路从输入侧开始由下述部分构成：由在二端子对电路的一条线上存在 的X1、在其两条线之间存在的X2和在该一条线上存在的X3形成的T形电路；以及，与X1和 X3的串联单元并联的X4，并且满足下面的条件。
[0054] Χ，Χ3+Χ4 = 0 Λ (1/%) + (1/%) + (1/%) = 0
[0055] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X1VX32) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0056] (5)在（1)的变压器中，优选的是，在其中四个电抗元件的电抗是XpXyXjP X4的 情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的两条线之间存在的X1和X2的第一 串联单元和在该两条线之间存在的X3和X4的第二串联单元构成，使得在第一串联单元中的 相互连接点和在第二串联单元中的相互连接点是输出端子，并且满足下面的条件。
[0057] X^WX4 = 0 Λ (1/%) + (1/%) + (1/%) + (1/%) =〇
[0058] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin ={ (XfX2) V (X1-X2)2} *R，并且与负载的电 阻值R成比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0059] (6)在（1)的变压器中，优选的是，在其中五个电抗元件的电抗是XA、XB、Xc、Xd和 Xe的情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的一条线上存在的Xa、在其两 条线之间存在的Xb、在该一条线上存在的Xc、在该两条线之间存在的Xd和在该一条线上存 在的Xe构成，并且满足下面的条件。
[0060]Xa = _XB /\Xe = _XD /\Xc =XA+XE
[0061] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X//XE2) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0062] (7)在（1)的变压器中，优选的是，在其中五个电抗元件的电抗是XA、XB、Xc、Xd和 Xe的情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的两条线之间存在的Xa、在其 一条线上存在的Xb、在该两条线之间存在的Xc、在该一条线上存在的Xd和在该两条线之间 存在的Xe构成，并且满足下面的条件。
[0063]Xa = _XB /\Xe = _XD /\Xc =Xa ·Xe/ (XA+XE)
[0064] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X//XE2) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0065] (8)在（1)的变压器中，优选的是，在其中六个电抗元件的电抗是XA、XB、X。、XD、Xe 和Xf的情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的一条线上存在的Xa、在其 两条线之间存在的Xb、在该一条线上存在的Xc、在该两条线之间存在的XD、在该一条线上存 在的Xe和在该两条线之间存在的Xf构成，并且满足下面的条件。
[0066]Xa=Xc= _ΧΒΛXd=Xf= _XE
[0067] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X//XF2) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0068] (9)在（1)的变压器中，优选的是，在其中六个电抗元件的电抗是XA、XB、X。、XD、Xe 和Xf的情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的两条线之间存在的Xa、在 其一条线上存在的Xb、在该两条线之间存在的Xc、在该一条线上存在的XD、在该两条线之间 存在的Xe和在该一条线上存在的Xf构成，并且满足下面的条件。
[0069]Xa=Xc= _ΧΒΛXd=Xf= _XE
[0070] 在该情况下，输入阻抗Zin被表示为Zin= (X//XF2) *R，并且与负载的电阻值R成 比例，并且因此获得与输入电压成比例的输出电压。
[0071](10) -种变压器可以包括：被配置为执行切换的电路；以及，⑴至（9)的任何一 项的变压器，其被插入在该电路中。
[0072] 在该情况下，有可能使用其中执行切换的环境来利用具有集总常数电路的变压 器。
[0073] (11)在⑴至（9)的任何一项的变压器中，电缆的电容和电缆的电感可以被用作 电抗元件。
[0074] 在该情况下，该电缆可以容易保证耐压性能，并且，其成本低。
[0075] (12)在（10)的变压器中，优选的是，切换的频率是至少IMHz。
[0076] 在该情况下，有可能使用其中以高频来执行切换的环境来利用具有集总常数电路 的变压器。
[0077][实施例的细节]
[0078]〈使用集总常数电路的变压器〉
[0079] 接下来，将描述根据本发明的实施例的使用集总常数电路的变压器的细节。
[0080]〈〈概述》
[0081] 图1是使用二端子对电路（四端子电路）的变压器200的概念的图。为了起变压 器的作用，输入阻抗Zin和负载R(电阻值R)需要满足下面的关系。
[0082] Zin =k·R(k是常数）
[0083] 因此，输入阻抗Zin相对于负载变化而线性地变化，并且，电压变换比率恒定。另 夕卜，输入阻抗Zin没有电抗分量。即，输入阻抗Zin需要具有实部k*R和虚部0。具有这样 的输入阻抗Zin的变压器200被称为LILT(负载不变线性变压器）。
[0084] 如上所述的变压器200可以获得与输入电压成比例的输出电压，与负载的电阻值 R无关。即，可以获得以恒定的电压变换比率（l/k)1/2来将输入电压变换为输出电压的变 压器200。使用这样的变压器200作为变压器使得不必使用传统商用频率变压器或高频变 压器。因此，可以实现变压器的显著的尺寸减小和重量减小，并且结果，可以实现成本减小。 而且，也解决了在高频变压器中产生的寄生电容和出现磁场泄漏的问题，并且因此，可以实 现具有低损耗的变压器。
[0085] 虽然可设想无限数量的电路配置作为LILT，但是期望电抗元件的元件数量η小。 本发明认已经在将η的值从1开始改变为1、2、3、4的同时进行了全面的研究，并且结果，已 经发现最小元件数量η是4。
[0086] 图2是示出构成电路的元件的元件数量η的概念的示例的图。在图2中，左侧电 路显然包括三个元件XpX2和X3。然而，拓扑地彼此等同的X1和X2被计数为一个元件，并 且在电路方面没有意义的X3不被计数。因此，左侧电路配置与右侧电路配置相同，并且元 件数量η是1。
[0087] 图3是示出可以通过使用最小元件数量4建立的电路配置的四种模式的图，其中， (a)、（b)、（c)和（d)的电路配置分别被称为"4Α型"、"4Β型"、"4C型"和"4D型"。
[0088]〈〈第一实施例：4A型》
[0089] 图4是示出4A型的电路配置的图。使用文字来描述，例如，在其中四个电抗元件 的电抗是Xi、X2、X3和X4的情况下，二端子对电路从输入侧开始由在二端子对电路的一条线 上存在的X1、在其两条线之间存在的X2、在该一条线上存在的X3和在该两条线之间存在的 X4构成。在该情况下，输入阻抗Zin被表示为下面的表达式的上部。另外，在设定用于通过 并联谐振和串联谐振来使得虚部为0的条件的情况下，将输入阻抗Zin表示为下部。
[0090] 在下面的表达式中，"j"表示虚数（-1)1/2。
【权利要求】
1. 一种变压器，所述变压器设置于电源与电阻值R的负载之间，并且具备二端子对电 路，所述二端子对电路由相互连接的n个电抗元件构成，n为4以上的自然数，其中， 对于所述负载的任意的电阻值R，所述二端子对电路的输入阻抗Zin的实部通过k *R来 表示，并且所述输入阻抗Zin的虚部为0, k为常数。
2. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当4个电抗元件的电抗分别为X2、X3、X4时，按照从输入侧观察的顺序，所述二端子 对电路由处于所述二端子对电路的1线上的&、处于2线间的X2、处于所述1线上的X3、处 于2线间的X4构成，并且满足以下条件： (1/%) + (1/%) + (1/%) = 0 八 X2+X3+X4 = 0。
3. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当4个电抗元件的电抗分别为X2、X3、X4时，按照从输入侧观察的顺序，所述二端子 对电路由处于所述二端子对电路的2线间的\、处于1线上的X2、处于2线间的X3、处于所 述1线上的X4构成，并且满足以下条件： Xi+A+i = 〇 八（i/x2) + (i/x3) + (i/x4) = 〇。
4. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当4个电抗元件的电抗分别为X2、X3、X4时，按照从输入侧观察的顺序，所述二端子 对电路由T型电路与相对于&及X3的串联体并联的X4构成，所述T型电路由处于所述二端 子对电路的1线上的&、处于2线间的X2、处于所述1线上的X3构成，并且满足以下条件： Xi+A+x* = 〇 八（1/%) + (1/%) + (1/%) = 〇。
5. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当4个电抗元件的电抗分别为X2、X3、X4时，按照输入侧观察的顺序，所述二端子对 电路被构成为包含处于所述二端子对电路的2线间的X2的第1串联体以及处于2线间 的X3、X4的第2串联体，所述第1串联体的相互连接点以及所述第2串联体的相互连接点作 为输出端子，并且满足以下条件： Xi+A+x^x* = 〇 八（1/%) + (1/%) + (1/%) + (1/%) = 〇。
6. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当5个电抗元件的电抗分别为XA、XB、X。、XD、XE时，按照从输入侧观察的顺序，所述二端 子对电路由处于所述二端子对电路的1线上的XA、处于2线间的XB、处于所述1线上的X c、 处于2线间的XD、处于所述1线上的XE构成，并且存在如下关系： xA = _xB A xE = _xD A xc = xa+xe。
7. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当5个电抗元件的电抗分别为XA、XB、X。、XD、XE时，按照从输入侧观察的顺序，所述二端 子对电路由处于所述二端子对电路的2线间的XA、处于1线上的XB、处于2线间的X。、处于 所述1线上的XD、处于2线间的XE构成，并且存在如下关系： xA = -xB A xE = -xD A xc = xA. xE/ (XA+XE) 〇
8. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当6个电抗元件的电抗分别为XA、XB、X。、XD、XE、X F时，按照从输入侧观察的顺序，所述 二端子对电路由处于所述二端子对电路的1线上的XA、处于2线间的XB、处于所述1线上的 Xc、处于2线间的XD、处于所述1线上的XE、处于2线间的X F构成，并且存在如下关系： Xa = xc = _XB /\ XD = XF = _XE〇
9. 根据权利要求1所述的变压器，其中， 当6个电抗元件的电抗分别为XA、XB、X。、XD、XE、X F时，按照从输入侧观察的顺序，所述 二端子对电路由处于所述二端子对电路的2线间的XA、处于1线上的XB、处于2线间的X c、 处于所述1线上的XD、处于2线间的XE、处于所述1线上的XF构成，并且存在如下关系： Xa = xc = _XB 八 XD = XF = _XE〇
10. -种变压器，其包含： 用于进行切换的电路；以及 插入在该电路内的根据权利要求1至9中的任意一项所述的变压器。
11. 根据权利要求1至9中的任意一项所述的变压器，其中， 利用电缆的电容及电缆的电感来作为所述电抗元件。
12. 根据权利要求10所述的变压器，其中， 所述切换的频率至少是1MHz。
【文档编号】H02M5/06GK104426381SQ201410433064
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2013年8月29日
【发明者】弘津研一, 志贺信夫, 中幡英章, 大平孝, 山田恭平 申请人:住友电气工业株式会社, 国立大学法人丰桥技术科学大学