专利名称：一种实现谐波治理的4芯柱三相变压器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子设备，涉及一种变压器，特别是一种实现谐波治理的4芯柱三相变压器。
背景技术：
由于电力电子设备的广泛使用，给电网注入了大量的谐波，造成其他用电设备的干扰，引发电力设备的故障。为此，必须采用电力电子技术解决电网中的谐波问题。然后，由于注入电网谐波的主要设备都是采用三相供电的，而目前实现三相用电设备的谐波治理技术相当复杂、成本也比较高，如有源滤波器。采用电力电子器件和无源滤波技术相结合实现的谐波治理技术，得到迅速发展。以N.Mohan为代表的学者在这方面具有独到的研究成果，如采用Y-Δ接法消除零序电流的三相变压器1和采用ZigZag变压器实现的零序电流消除技术2，这些都是无源滤波技术和有源电力电子技术相结合的典范。
如图1所示的Y-Δ变压器中，变压器的原边为Y接法，零序电流通过原边的中性点流到三相电网中。变压器的副边为Δ接法，这样，对电网的非零序分量(包括基波)来讲，相当于副边开路；对于零序分量来讲，副边相当于短路，或者说副边的Δ接法，对零序分量来讲是低阻抗。
该接法的变压器副边为Δ接法，3个绕组上感应的零序电压都是同相的，且首尾相连，相当于零序电压源处于短路状态，根据变压器的互感原理，变压器的原边对零线就能够实现零序电压分量的低阻抗，那么三相电网中就通过该变压器消除了零序电压分量。
在如图2所示的曲折变压器接法中，虚线以上为变压器的原边绕组，用P表示，虚线以下为变压器的副边绕组，用S表示。图中相对应的P和S绕组为一个芯柱，且同名端如图中标注所示。设该变压器的励磁电流忽略不计，应用理想的变压器模型。
设三相输入电压为 O点的电压为 原边三相绕组的感应电压分别为 副边三相绕组相应的感应电压分别为 该变压器的矢量图如图3所示。从图中可以发现，向量 的相位差为120°，令uas＝u(ωt)，则有ubs＝u(ωt-2π/3)和ucs＝u(ωt+2π/3)。由图3的电压矢量可知， 输入电压为对称的三相正弦电压，所以， 只能含有基波和零序电压分量，而正序分量和负序分量必须为0。
设相应绕组的电流分别为 谐波注入电流为 节点O的总电流和为0，从变压器注入的电流只含有零序电流。那么，该变压器对零序电流呈现低阻，允许零序电流通过，能够达到零序电流注入到电网的目的。
上述两种实现零序电流注入的变压器有两个共同的特点1)原副边的绕组都是6个；2)其接法是固定的，没有办法实现零序电流检测的功能。
以下使申请人给出的参考文献1)R.Naik，N.Rastogi and N.Mohan，“Third Harmonic Modulated PowerElectronics interface with Three-Phase Utility to Provide a Regulated DC Outputand Minimize Line-Current Harmonics”.IEEE Trans IA.Vol.31.No.3，pp.598-602，1995。
2)Mohan N.“A novel approach to minimize line-current harmonics ininterfacing renewable energy sources with 3-phase utility systems”，AppliedPower Electronics Conference and Exposition，1992。APEC′92。ConferenceProceedings 1992，Seventh Annual，1992 Page(s)852-858。
3)董晓鹏，“三相PWM整流器及其控制方法的研究”，西安交通大学博士学位论文，1998。
发明内容
针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种用于实现谐波治理的4芯柱三相变压器。
为了实现上述任务，本发明采取的技术方案是一种实现谐波治理的4芯柱三相变压器，包括变压器的三相绕组，其特征在于，所述的变压器内还有一个中心柱短接的绕组。
本发明的4芯柱三相变压器和普通的三相变压器相比，多设计一个中心柱。其工作原理如下三相电压在3个边柱绕组上产生相位差为120度的磁通，在中心柱上实现磁通叠加，再通过中心柱绕组产生磁势。对于非零序的磁势分量，磁通的矢量叠加和为0，而零序分量的叠加和为三相零序分量之和，从而得出三相电压中是否含有零序电压分量。
本发明能够实现零序电流的检测与注入，为运用电力电子技术和无源滤波技术消除电网谐波电流构造了电路拓扑。和现有的技术相比，还具有减少变压器的体积和绕组、降低变压器的损耗、实现零序电流检测等优点。
图1是Y-Δ接法消除零序电流的三相变压器示意图；图2是ZigZag接法消除零序电流的三相变压器示意图；图3是曲折变压器的矢量图；图4是4芯柱三相变压器的连接示意图；图5是4芯柱三相变压器的磁路图；图6是三相输入电流频谱；图7是三相3线PFC实验装置主电路图；
图8是三相输入的电流波形图；图9是零序电流检测示意图。
以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明提出的4芯柱三相变压器如图4所示。包括变压器的原边a、b、c三相绕组和一个中心柱绕组，在该接法中，中心柱绕组短接，谐波电流通过变压器原边的中性点，对每相都流过1/3的谐波电流到电网。对于对称的三相电网来讲，将中心柱绕组短接，即中心柱的总磁通和为0，该连接点O相当于电网的中性点。如果从O点注入谐波电流，即相当于接入了中性线。在对称的三相四线中，中性线的谐波电流分量只含有零序电流分量。因此该变压器对零序电流来讲也是低阻的。具体分析如下设该变压器的励磁电流忽略不计，为理想的变压器模型。设该变压器的四个绕组的电压分别为 O点的电压为 则根据图4所示，O点的电位为0；同样设相应绕组的电流分别为 节点O的总电流也和为0。这是因为中心柱的绕组只含有零序磁通，非零序磁通为零，而且中心柱的零序磁通为各个绕组中零序磁通的3倍。该中心柱的零序磁通在其绕组上产生相应的零序电流，该电流也为其它三个绕组零序电流之和。
4芯柱三相变压器的中心柱短路绕组，具有以下作用如果没有这个短接绕组，这个变压器相当于只有三个原边绕组，没有副边绕组，或者说原边是三个耦合电感，只不过这三个耦合电感流过的电流是4芯柱三相变压器原边的激磁电流，而且比较小。对称的三相电压作用在这个变压器上，O点的电位依然为0，而且由三相基波电压在中心柱产生的总磁通和为0。设四个芯柱绕组的匝数均为N，则零序电流在三个边柱产生的总磁势为 中心柱绕组没有零序电流流过，没有磁势产生，不能破坏三个边柱的电势平衡
图5a是4芯柱三相变压器的磁路图，当中心柱绕组短接以后，其电流就会增加，并产生磁势 并改变了三个边柱的磁通及感应电势，破坏了变压器原边的电势平衡关系，必然使原边的电流增加(只有零序电流)，并产生磁势，去抵偿中心柱绕组产生的磁势，使原边的磁势得到新的平衡。同时，中心柱绕组短接，电流可以达到无限大，这样，就可以使原边对零序电流具有无限小的阻抗。从理想变压器来考虑，该变压器对零序电流是没有阻抗的，能够实现零序电流注入。
图5b是该设备实际制造的样品示意图，三相绕组的分布和中心柱绕组的关系为图中的粗线部分。在应用实施例1中使用时，将中心柱绕组短接在一体，三相绕组分别和a、b、c三相交流电源线连接，这就构成了零序电流谐波注入变压器，O点为谐波注入点，如图4所示；在应用实施例2中使用时，将a、b、c三相绕组分别串入三相交流电源中，中心柱绕组断开，接上检测电阻，就可以实现零序电流的检测，如图9所示。
可以将三相整流容性负载的输入电流THD降到为6％左右，功率因数提高到0.998以上。如图6所示的应用本发明的4芯柱三相变压器得到的3kW实验电流波形，由图中可见，各相电流频谱几乎全部为基波50Hz，谐波含量已经抑制得非常少了。
以下是发明人给出的具体实施例。
应用实施例1电力电子设备的谐波治理为了验证本发明的4芯柱三相变压器实际效果，设计一个是以双开关控制为核心，三相PFC整流器装置，通过其性能指标的检测，验证了本发明的方法消除谐波电流的效果是非常显著的。
三相3线制整流性负载的谐波抑制电路如图7所示，图中，继电器J1和电阻R组成启动限流电路；HL1～3为检测输入电流用的电流霍尔传感器，用于提供电流跟踪控制用的电流反馈信号；HV1～2为检测输出电压用的电压霍尔传感器，用于系统对直流输出电压的反馈控制；L1～3为该装置输入升压电感；D1～D6为整流二极管桥，D7～D8为高频二极管；C1～C3为输入滤波高频电容；C4～C5为输出滤波电容，各为4700μF；S1～S2使用IGBT作为开关管；输出负载为35Ω，T1为本发明的4芯柱三相变压器，4芯柱三相的零序电流注入工频变压器。
应用谐波电流注入方案和谐波电流控制策略，其记录结果采用了功率分析仪。三相交流电流波形如图8所示。a相的基波电流有效值为9.974A，b相的基波电流为10.166A，c相的基波电流为10.872A。由图8可见，三相输入电流已经非常接近正弦波。
在输入电感电流中，零序电流占一定的比例，特别是3次谐波电流，达到了c相基波电流的5.1％。其它非零序电流(除基波以外)也比较大，其主要原因有二一是三相输入电压不对称引起的。由于三相电压不对称，即使负载完全对称，谐波电流仍然存在。或者说，三相电源对于各次谐波的阻抗不相等，谐波电流不能完全消除。二是零序谐波电流注入变压器的漏感不为0，使得变压器对零序电流呈现一定的阻抗。这导致了零序电流难以消除。
即使如此，该电路的谐波治理效果也是相当明显的。
应用实施例2零序谐波电流的检测如图9所示的零序电流检测示意图，当零线检测不是很方便的时候，采用该方案完全可以实现三相电源线中是否含有零序电流。
其原理就是三相电流的非零序分量在中心柱绕组上产生磁势的矢量和为0，只有零序电流在中心柱上产生的磁势方向一致，这样在中心柱绕组上产生了三相零序电流的总和，并转换成输出电压u，从而得到三相之和的零序电流。
权利要求
1.一种实现谐波治理的4芯柱三相变压器，包括变压器的三相绕组，其特征在于，所述的变压器内还有一个中心柱短接的绕组。
全文摘要
本发明公开了一种实现谐波治理的4芯柱三相变压器，包括变压器的三相绕组，其特征在于，所述的变压器内还有一个中心柱短接的绕组。本发明和普通的三相变压器相比，多设计一个中心柱。在中心柱上实现磁通叠加，再通过中心柱绕组产生磁势。对于非零序的磁势分量，磁通的矢量叠加和为0，而零序分量的叠加和为三相零序分量之和，从而得出三相电压中是否含有零序电压分量。本发明能够实现零序电流的检测与注入，为运用电力电子技术和无源滤波技术消除电网谐波电流构造了电路拓扑。和现有的技术相比，还具有减少变压器的体积和绕组、降低变压器的损耗、实现零序电流检测等优点。
文档编号H01F27/34GK1937118SQ20061010457
公开日2007年3月28日 申请日期2006年9月15日 优先权日2006年9月15日
发明者曹建安, 裴云庆, 王兆安 申请人:西安交通大学