专利名称：一种高频化配电变压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高频化配电变压器，属于电力电子功率变换技术领域。
背景技术：
目前的配电变压器髙压侧大多为三相10kV输入，低压侧为380V/220V低 压三相四线制输出。这类配电变压器有四个缺点(1)低压侧(即负载侧)的 功率因数直接影响高压侧，功率因数过低的负载必须要求进行功率因数补偿； (2)负载侧的谐波全部流入电网，会造成诸多危害，需要进行谐波补偿；(3) 负载侧的三相不平衡、过载、短路故障等因素会直接影响电网的电能质量和供 电可靠性。(4)通常这类工频配电变压器大多为油浸式，具有体积大、用材多、 易燃等固有缺点。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种高频化配电变压器，以减小配电变压 器的体积和重量，同时通过引入直流环节可以使电网和负载不再直接耦合，利 于实现网侧功率因数接近于1以及基本消除网侧电流谐波。
本发明的高频化配电变压器，其特征在于包括三相电压高频调制电路、高 频移相变压器、多脉整流电路以及逆变器输出模块；三相电压高频调制电路中 的每相桥臂包括n个串联的单相整流模块，n为正整数，以及数量为单相整流模 块m倍的逆变器模块，m为正整数，m个逆变器模块串联构成一个串联逆变器 组，共形成n个串联逆变器组；每相桥臂n个串联的单相整流模块的首端接高 压侧三相电网进线，末端与三相电网中点相连，每个单相整流模块的输出端与 一个串联逆变器组的输入端相连；高频移相变压器原边绕组及副边绕组的数量 分别与串联逆变器组的数量相同，各串联逆变器组的输出端分别与高频移相变 压器各原边绕组相连；高频移相变压器的三相副边绕组经星形、三角形、曲折 或者延边三角形接法后形成i个移相的三相绕组，i为正整数，i个移相的三相绕 组分别与i个多脉整流电路的输入端相连；i个多脉整流电路的输出端分别连接 至i个逆变器输出模块的输入端，i个逆变器输出模块的输出端经并联后接低压 侧三相四线制电网，或者i个多脉整流电路并联后形成j个输出端分别与j个逆 变器输出模块的输入端相连，j为小于i的正整数，j个逆变器输出模块的输出端 经并联后接低压侧三相四线制电网。本发明中，所说的单相整流模块可以是四个二极管、晶闸管或全控器件组 成的全桥整流电路，如果采用晶闸管则能量也可以从负载端反馈到电网，成为 能量可以双向流动的配电变压器。
本发明中，三相电压高频调制电路中的逆变器模块可以是两电平或者三电
平单相全桥逆变电路；逆变器模块的数量一般为单相整流模块的l、 2或3倍。
本发明中，所说的高频移相变压器可以是一个三相变压器，也可以由三个 单相变压器组成；高频移相变压器原边绕组匝数可以相同也可以不同，为保证 三相电压高频调制电路中多个单相整流模块的均压，通常使高频移相变压器原 边绕组匝数相同。
副边绕组选择的相移接法与多脉整流电路的脉波数相对应，即副边绕组根 据多脉整流所要求的脉波数选择接法以实现对应的相移。
本发明中，所说的逆变器输出模块可以采用四桥臂结构的三相全桥逆变电 路，利用其中一个桥臂引出零线并控制零线电位。为了抑制零线电位的波动， 可将所有逆变器输出模块引出的零线经过滤波后并联，构成低压侧三相四线制 电网的零线。
本发明的有益效果在于由于高频移相变压器工作在高频调制方式下，其 开关频率一般为工频的一百倍以上，因此整个配电变压器的尺寸和重量可以大 幅降低。通过调节三相电压高频调制电路中逆变器模块的占空比，可实现输出 电压可调，当负载电流过大时，三相电压高频调制电路中的逆变器模块可通过 减小占空比加以限制，出现负载短路情况时可直接关闭三相电压高频调制电路 实现保护。这种配电变压器由于逆变输出模块的作用，相当于引入了直流环节， 可以使电网和负载不再直接耦合，当i个逆变器输出模块的输出的脉冲波形互相 错开一定的相位角时，则并联输出的交流更接近正弦波形，于是可以实现网侧 功率因数接近于1以及基本消除网侧电流谐波。本发明不仅适用于现有的工频 配电系统，多相配电系统，也可以用于高频配电系统，如400Hz的舰船配电系 统。
图1是高频化配电变压器构成示意图2是24脉整流时高频移相变压器副边绕组的一种接法示例； 图3是三相电压高频调制波形图，(a)为单相整流模块的输入波形，(b) 为单相整流模块的输出波形，(c)为传统的用于调制的方波脉冲波形，(d)为 负半周倒相的用于调制的方波脉冲波形，(e)为图3 (a)经过图3 (c)调制后得到的波形，(f)为图3 (b)经过图3 (d)调制后得到的波形；
图4是占空比调制的脉冲波形，(a)占空比等于l， (b)占空比小于l; 图5是三相四桥臂逆变器输出模块主电路拓扑。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
参照图l，高频化配电变压器中，包括三相电压高频调制电路、高频移相变 压器Tr、多脉整流电路CON，以及逆变器输出模块INV，；图例中，三相电压高 频调制电路中的每相桥臂包括6个串联的单相整流模块CON以及6个串联逆变 器组INV,即n二6， m二l的情况；每相桥臂6个串联的单相整流模块CON的 首端接高压侧三相电网进线，末端与三相电网中点相连，6个单相整流模块CON 的输出端分别与6个串联逆变器组INV的输入端相连，6个串联逆变器组INV 的输出端分别与高频移相变压器Tr的6个原边绕组相连；以高频移相变压器Tr 每相6个副边绕组达到24脉整流目的为例，A相为、
"^， B相、C相类似。副边绕组按图2进行连接，接成星形、三角形、-15°曲 折形、+15°曲折形，形成4套相位依次相差15。的三相绕组，引出4组共12个 端子，即图1中的a^'c;、 "26202、 a3'63'C3'、 a>4c4'，各副边绕组的匝数比为
1: VI :0.816:0.816:0.299:0.299 。 4套相位依 火相差15。 的三相绕组分别与4个多脉整流电路CON'的输入端相连；4个多脉整流电路 CON'的输出端分别连接至4个逆变器输出模块INV'的输入端，4个逆变器输 出模块INV，的输出端经并联后接低压侧三相四线制电网。
其中副边绕组也可以采用延边三角形接法，总之只需要使最后形成的4套 三相绕组电压的相位依次相差15。即可达到24脉整流的效果，这样的接法，和 传统工频24脉整流器一样，可以消除各主要的谐波电流，仅存在24kll次的谐 波，其中k为正整数，能满足绝大多数应用场合的要求。
6个副边绕组和24脉整流仅为本发明的一个示例，同理也可以推广到2个、 3个 副边绕组和12脉、18脉 整流的应用场合。
本例中A相6个串联逆变器组的输出分别接到高频移相变压器A相的6个 原边绕组。为保证三相电压高频调制电路中6个整流模块之间的均压，应尽量 使高频移相变压器的原边绕组匝数相同。由于经过以上的调制，三相电压之和 仍然为零，因此高频移相变压器可由一个三相变压器或者是三个单相的变压器 组成。
由于高频化的配电变压器副边电压很低，尤其是采用延边三角形或曲折接
5法后，分段绕组的电压更低、匝数更少甚至出现分数匝的情况，每套绕组电压 难以做到均压，所以直接经过多脉整流后并联很难做到均流。将多脉整流后得 到的多套独立直流电经逆变后再并联，通过调节逆变器输出模块输出波形的占 空比，使逆变器输出模块并联后能够有效调节各自的输出电流。
采用了上述经4套逆变器输出模块逆变后再并联的办法后，只要求最终形 成的4套三相的移相绕组电压的相位依次相差15°,可以不再要求其大小完全相 等，大大降低了高频移相变压器的设计难度。通过对逆变器输出模块的控制， 对于这4套三相的移相绕组而言，实际匝数比理论计算匝数偏少(或偏多)的 绕组可以让它电流相应的大(或小) 一些，可以得到同样的安匝数，同样可以 达到消除网侧电流谐波的目的。因此对于4套逆变器输出模块而言，实质上并 不要求自动控制多脉整流中的4套三相整流器均流，而是要求控制4套整流器 做到均功率。不要求严格意义上的均压与均流给高频化配电变压器的设计带来 很大方便，例如若星形接法每相为5匝，原本要求三角形接法每相匝数为 5><^ 8.66匝，这样的分数匝绕组难以在工程上实现，现在则可以近似设计成8 匝或者9匝，通过控制逆变器输出模块的占空比来实现等效的分数匝绕组效果。
上述为多脉整流电路数量与逆变器输出模块数量相等的情况，当逆变器输 出模块数量j小于多脉整流电路数量i的时候，例如4个多脉整流电路和2个逆 变器输出模块的情况，可将多脉整流电路CON'两两并联后形成2个输出端分别 与2个逆变器输出模块INV'的输入端相连；或者可将3个多脉整流电路并联后 与剩余的1个多脉整流电路形成2个输出端分别与2个逆变器输出模块INV'的 输入端相连，2个逆变器输出模块INV，的输出端经并联后接低压侧三相四线制 电网。
实例中，三相电压高频调制电路中的单相整流模块为四个二极管组成的全 桥整流电路；三相电压高频调制电路中的逆变器模块为两电平单相全桥逆变电 路。
380V/50Hz三相四线制配电系统要求有零线引出，为此逆变器输出模块(如 图5所示)采用三相四桥臂的电路拓扑结构。由开关管Q7、 Q8与电感L4、电 容C4、 C5组成中点电压控制主电路，通过对开关管Q7和Q8的控制，形成稳 定的中点电压，并使之成为零线，零线电流可经L4、 Q7和Q8形成回路，使三 相输出完全独立。利用其中一个桥臂引出零线并控制零线电位，将所有逆变器 输出模块引出的零线经过滤波后并联，构成低压侧三相四线制电网的零线。
220V交流电压的峰峰值约为622V，如果某一套逆变器输出模块的直流母线电压Upw^ 622V，则控制该逆变器输出模块的中线桥臂开关管Q7、 Q8按-一 定的占空比工作，使其输出电压为直流母线电压的中点电位，亦即零线电位。 如果4套逆变器输出模块的直流母线电压均大于622V，则它们的中线桥臂中点 可以连接在一起作为三相四线制的零线引出。如果直流母线电压小于622V，则 中线桥臂中点电位相对于直流母线中点电位的电压是按3倍工频脉动的，而对 于四套逆变器输出模块而言，这种3倍工频的脉动相位与大小有可能不同，此 时4套逆变器输出模块中线桥臂引出的零线经滤波后再并联，最后引出作为三 相四线制电网的零线。
单相整流模块输入波形如图3 (a)所示，经过整流后输出波形如图3 (b) 所示。三相电压高频调制电路中的串联逆变器组，利用幅值等于±1的双极性方 波脉冲进行调制，与图3 (c)中传统的方波脉冲不同，采用的是负半周倒相的 方波脉冲。如图3 (d)所示，这两种方波脉冲的不同之处在于在被调制波， 如50Hz正弦波的正半波期间，图3 (d)与图3 (c)波形相同，在50Hz正弦波 的负半波期间，图3 (d)与图3 (c)波形反相，即在被调制波反向时，方波脉 冲也倒相。图3 (b)中整流后的电压波形经图3 (d)的方波脉冲调制后的波形 如图3 (f)所示；图3 (a)的交变电压波形经图3 (c)的传统方波脉冲调制后 得到的波形如图3 (e)所示。显然可见，图3 (e)的波形与图3 (f)是完全一 样的，采用这种方案可以避免使用两极双向全控器件。
图3中的方波脉冲都是正负脉冲相连的，如图4 (a)所示，当占空比为1 时输出电压最大。三相电压高频调制电路的逆变器模块也可以工作在占空比小 于1的状态，如图4 (b)所示。控制占空比小于1，则可降低输出电压，因此 本发明的高频化配电变压器还具有电压调整的功能。
权利要求
1. 一种高频化配电变压器，其特征在于包括三相电压高频调制电路、高频移相变压器(Tr)、多脉整流电路(CON’)以及逆变器输出模块(INV’)；三相电压高频调制电路中的每相桥臂包括n个串联的单相整流模块(CON)，n为正整数，以及数量为单相整流模块(CON)m倍的逆变器模块，m为正整数，m个逆变器模块串联构成一个串联逆变器组(INV)，共形成n个串联逆变器组(INV)；每相桥臂n个串联的单相整流模块(CON)的首端接高压侧三相电网进线，末端与三相电网中点相连，每个单相整流模块(CON)的输出端与一个串联逆变器组(INV)的输入端相连；高频移相变压器(Tr)原边绕组及副边绕组的数量分别与串联逆变器组(INV)的数量相同，各串联逆变器组(INV)的输出端分别与高频移相变压器(Tr)各原边绕组相连；高频移相变压器(Tr)的三相副边绕组经星形、三角形、曲折或者延边三角形接法后形成i个移相的三相绕组，i为正整数，i个移相的三相绕组分别与i个多脉整流电路(CON’)的输入端相连，i个多脉整流电路(CON’)的输出端分别与i个逆变器输出模块(INV’)的输入端相连，i个逆变器输出模块(INV’)的输出端经并联后接低压侧三相四线制电网，或者i个多脉整流电路(CON’)并联后形成j个输出端分别与j个逆变器输出模块(INV’)的输入端相连，j为小于i的正整数，j个逆变器输出模块(INV’)的输出端经并联后接低压侧三相四线制电网。
2. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于单相整流模块 (CON)为四个二极管、晶闸管或全控器件组成的全桥整流电路。
3. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于三相电压高频调 制电路中的逆变器模块是两电平或者三电平单相全桥逆变电路。
4. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于m等于l、 2或3。
5. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于高频移相变压器 (Tr)的原边绕组匝数相同或不相同。
6. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于副边绕组选择的 相移接法与多脉整流电路的脉波数相对应。
7. 根据权利要求1所述的高频化配电变压器，其特征在于逆变器输出模块 (INV，)为四桥臂结构的三相全桥逆变电路，所有逆变器输出模块(INV，)引出的零线经过滤波后并联，构成低压侧三相四线制电网的零线。
全文摘要
本发明公开的高频化配电变压器，包括三相电压高频调制电路、高频移相变压器、多脉整流电路以及逆变器输出模块；三相电压高频调制电路中的每相桥臂包括n个串联的单相整流模块及数量为单相整流模块m倍的逆变器模块。本发明通过调节三相电压高频调制电路中逆变器模块的占空比，可实现输出电压可调；由于高频移相变压器工作在高频调制方式下，因此可有效减小整套配电变压器的体积和重量；这种配电变压器可解决多脉整流电路的均流问题，实现网侧功率因数接近于1以及基本消除网侧电流谐波的目的。本发明不仅适用于现有的工频配电系统，多相配电系统，也可以用于高频配电系统，如400Hz的舰船配电系统。
文档编号H01F30/12GK101521467SQ20081016220
公开日2009年9月2日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者吕征宇, 汪槱生, 胡海兵, 赵荣祥 申请人:浙江大学