一种无槽直线式移相变压器及其控制方法

1.本发明属于变压器技术领域，尤其涉及一种无槽直线式移相变压器及其控制方法。


背景技术：

2.目前，在电力电子技术中，逆变技术扮演着重要的角色。如今的国防、工业中普遍采用大功率逆变，而多重叠加逆变作为大功率逆变技术中可靠性高、开关损耗小的代表性技术，被广泛应用于各行各业中。多重逆变系统常用的移相变压器主要分为两种：一种是自耦变压器，一种是隔离变压器，如图21和图22。结构上主要有心柱式移相变压器和圆形移相变压器两种，但由于结构的影响，这两种移相变压器存在绕组绕线方式复杂、匝数比不精确、移相角度单一等一系列的固有问题，且不宜拓展，因此当相数增加时变压器的设计和制造就将变得困难起来，如图23-图24。
3.针对上述问题，直线式的移相变压器应用而生，现有的直线式移相变压器由于结构原因齿槽效应较为明显。针对以上问题，本发明设计了一种新型无槽直线式移相变压器。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的移相变压器移相角度单一、散热不便、绕线困难、不容易扩展；由于结构原因齿槽效应较为明显，过于依赖齿槽结构；制造时铁芯结构会增加加工难度。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：现有结构一旦制造完成后很难进行修改和拓展；心柱式和圆形结构的移相变压器与空气的接触面积不大，散热问题较难处理；现有结构的绕组缠绕在齿部，齿槽的大小比较影响输出；现有结构由于铁芯的结构特殊，加工制造将会变得比较困难。现有结构同时解决上述问题难度较大。
6.解决以上问题及缺陷的意义为：可消除齿槽效应带来的影响，改善输出波形；增加铁芯散热面积，会避免由于变压器工作温度的影响，线路快速老化；更改绕线结构，使得扩展更容易；更改铁芯结构，便于加工。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种无槽直线式移相变压器及其控制方法。
8.本发明是这样实现的，一种无槽直线式移相变压器，所述无槽直线式移相变压器设置有固定底座，固定底座左右两侧安装有固定柱，固定柱上端与固定顶连接，固定顶四个角装有固定螺丝，固定顶上端安装有接线盒；
9.固定底座上端安装有副边，副边上侧为绕组，绕组上端为原边。
10.进一步，所述固定柱为四根，固定柱上旋接有固定螺母。
11.进一步，所述原边为原边铁芯，副边为副边铁芯；副边和原边分别通过固定螺丝固定在固定柱上，副边和原边均采用dw465-50硅钢片压制而成。
12.进一步，所述绕组采用紫铜聚氨酯铜线无氧铜线，绕组沿铁芯表面借由聚酯胶或
者环氧树脂粘贴，一端内部相接后，另一端引出，置于接线盒上。
13.进一步，所述原边有12相，由四组逆变电路供电，每组逆变电路都为星形连接，各为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，副边7为3相。其中a1、a2、a3、a4串接成a相，b1、b2、b3、b4串接成b相，c1、c2、c3、c4串接成c相；a、b、c三相为星形连接，同时另一端引出。
14.进一步，所述原边相，其中a1、a2、a3、a4依次滞后15
°
，同理，b1-b4、c1-c4各相也依次滞后15
°
；a1、b1、c1依次滞后120
°
，同理，其他各相也依次滞后120
°
；原边12相，各相依次为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，其中a1首尾端分别记为a1、x1；a2首尾端记为a2、x2；a3首尾端记为a3、x3；a4首尾端记为a4、x4；b1首尾端记为b1、y1；b2首尾端记为b2、y2；b3首尾端记为b3、y3；b4首尾端记为b4、y4；c1首尾端记为c1、z1；c2首尾端记为c2、z2；c3首尾端记为c3、z3；c4首尾端记为c4、z4；然后，末端x1、y1、z1接在一起为公共端点o1，末端x2、y2、z2接在一起为公共端点o2，末端x3、y3、z3接在一起为公共端点o3。
15.进一步，所述a1由1个线圈组成，其中导体元件1和13相连，组成一个线圈；线圈的首端1和尾端13引出，可得a1的首尾端a1和x1；a2由1个线圈组成，其中导体元件2和14相连，组成一个线圈；线圈的首端2和尾端14引出，可得a2的首尾端a2和x2；a3由1个线圈组成，其中导体元件3和15相连，组成一个线圈；线圈的首端3和尾端15引出，可得a3的首尾端a3和x3；a4由1个线圈组成，其中导体元件4和16相连，组成一个线圈；线圈的首端4和尾端16引出，可得a4的首尾端a4和x4；b1由1个线圈组成，其中导体元件5和17相连，组成一个线圈；线圈的首端5和尾端17引出，可得b1的首尾端b1和y1。
16.进一步，所述b2由1个线圈组成，其中导体元件6和18相连，组成一个线圈；线圈的首端6和尾端18引出，可得b2的首尾端b2和y2；b3由1个线圈组成，其中导体元件7和19相连，组成一个线圈；线圈的首端7和尾端19引出，可得b3的首尾端b3和y3；b4由1个线圈组成，其中导体元件8和20相连，组成一个线圈；线圈的首端8和尾端20引出，可得b4的首尾端b4和y4；c1由1个线圈组成，其中导体元件9和21相连，组成一个线圈；线圈的首端9和尾端21引出，可得c1的首尾端c1和z1；c2由1个线圈组成，其中导体元件10和22相连，组成一个线圈；线圈的首端10和尾端22引出，可得c2的首尾端c2和z2；c3由1个线圈组成，其中导体元件11和23相连，组成一个线圈；线圈的首端3和尾端15引出，可得c3的首尾端c3和z3；c4由1个线圈组成，其中导体元件12和24相连，组成一个线圈；线圈的首端12和尾端24引出，可得c4的首尾端c4和z4；副边三相a、b、c依次滞后120
°
。
17.进一步，所述a的首尾端记为a、x；b相的首尾端记为b、y；c相的首尾端记为c、z；一端x、y、z接成公共点o；另一端对外引出，记为a、b、c，互差15
°
；a支路由4个线圈组成，其中导体元件1和13，2和14，3和15，4和16分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序1-13-2-14-3-15-4-16首尾串联，从第一个线圈的首端1和第四个线圈的尾端16引出，可得a的首端a和尾端x；
18.进一步，b支路由4个线圈组成，其中导体元件9和21，10和22，11和23，12和24分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序9-21-10-22-11-23-12-24首尾串联，从第一个线圈的首端9和第四个线圈的尾端24引出，可得b的首端b和尾端y；c支路由4个线圈组成，其中导体元件17和5，18和6，19和7，20和8分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序17-5-18-6-19-7-20-8首尾串联，从第一个线圈的首端17和第四个线圈的尾端8引出，可得c相的首端c和尾端z。
19.本发明的另一目的在于提供一种所述无槽直线式移相变压器的控制方法，包括：
20.原边由四组三相全桥逆变器以及一个直线式移相变压器组成，由四组igbt组成的三相逆变电路输入，采用180
°
控制方式，四组逆变电路并联输入120v直流电压，经过移相15
°
后形成四组未叠加的六阶梯波电压，整个叠加合成过程在变压器中完成，部分低次谐波由于相位相反，在叠加合成过程中相互抵消，产生的四组六阶梯波通过绕组结构将其叠加为24阶梯波。其中，四组三相桥式逆变电路都工作在基频，通过对igbt施加控制信号来得到输出电压，逆变电路主体结构由24个igbt开关管组成，对于其中任意一组桥式逆变电路，同一桥臂的igbt控制信号中，下桥臂的控制信号滞后于上桥臂180度电角度，同组逆变器的三相控制信号依次之后120度电角度，四组桥式逆变电路对应的igbt控制信号依次滞后15度电角度。工作过程中，当变压器的原边绕组有输入电压时，绕组中的交变电流会产生一个恒定振幅的行波磁场(三相绕组中通入三相电流，产生旋转磁场，将其拓展成直线就是行波磁场)，随后副边导体在这个行波磁场的作用下产生三相感应电动势；
21.采用无槽结构，将绕组绕成环型结构横向放置于铁芯表面，并用聚酯胶或者环氧树脂粘贴，将原有的齿槽结构用一整块由dw465-50硅钢片压制的铁芯替代。因为环型绕组的端部极短且极易放线，减小无效端部的长度和端部绕组磁场复杂和变压器制造过程中嵌线困难的问题，不仅避免了齿槽效应对于输出波形的影响，同时该结构易于模块化，便与拓展，有效的解决电力电子器件的容量问题，适用于大功率逆变系统。
22.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明中原副边采用长度相等且结构对称的铁芯，规避了由铁芯结构不对称而引起的一系列问题；采用的环型绕组的端部极短且极易放线，减小无效端部的长度和端部绕组磁场复杂和变压器制造过程中嵌线困难的问题，易于模块化，便与拓展，有效的解决电力电子器件的容量问题，适用于大功率逆变系统。原边通入三相交流电后，气隙内会产生行波磁场，随后副边产生感应电动势，由于其结构的特殊性，更容易拓展、移相，改变气隙长度也变得容易起来。同时本发明采用无槽结构后，不仅减小了无效端部的长度，同时避免了齿槽效应对于输出波形的影响；相比于有齿槽结构的移相变压器，边齿以及齿槽的大小对于边端效应以及输出均有影响，采用无槽结构将消除由齿槽效应带来的影响；本发明简化了铁芯结构，实用性强，结构简单，散热好。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本发明实施例提供的无槽直线式移相变压器结构示意图。
25.图2是本发明实施例提供的无槽直线移相变压器铁芯结构示意图。
26.图3是本发明实施例提供的无槽直线式移相变压器三维绕组布置图。
27.图4是本发明实施例提供的无槽直线式移相变压器二维绕组布置图。
28.图5是本发明实施例提供的无槽直线式移相变压器接线盒端子分布图。
29.图6是本发明实施例提供的十二相绕组物理模型示意图。
30.图7是本发明实施例提供的原边示意图。
31.图8是本发明实施例提供的原边绕组分布图。
32.图9是本发明实施例提供的副边绕组分布图。
33.图10是本发明实施例提供的多重叠加逆变系统图。
34.图11是本发明实施例提供的移相叠加合成图。
35.图12是本发明实施例提供的无槽空载三相输出电压、电流波形及fft分析示意图。
36.图12中：图a、无槽输出电压；图b、无槽a相电压fft分析；图c、无槽输出电流；图d、无槽a相电流fft分析。
37.图13是本发明实施例提供的有槽空载三相输出电压、电流波形及fft分析示意图。
38.图13中：图a、有槽输出电压；图b、有槽a相电压fft分析；图c、有槽输出电流；图d、有槽a相电流fft分析。
39.图14是本发明实施例提供的无槽额定负载三相输出电压、电流波形及fft分析示意图。
40.图14中：图a、无槽输出电压；图b、无槽a相电压fft分析；图c、无槽输出电流；图d、无槽a相电流fft分析。
41.图15是本发明实施例提供的有槽额定负载三相输出电压、电流波形及fft分析示意图。
42.图15中：图a、有槽输出电压；图b、有槽a相电压fft分析；图c、有槽输出电流；图d、有槽a相电流fft分析。
43.图16是本发明实施例提供的多重叠加整流系统图。
44.图17是本发明实施例提供的三相交流输入电压波形示意图。
45.图18是本发明实施例提供的整流输出直流电压波形示意图。
46.图19是本发明实施例提供的整流输出直流电压fft分析示意图。
47.图20是本发明实施例提供的整流输出直流电压谐波含量示意图。
48.图21是本发明实施例提供的自耦变压器示意图。
49.图22是本发明实施例提供的隔离变压器示意图。
50.图23是本发明实施例提供的心柱式移相变压器示意图。
51.图24是本发明实施例提供的圆形移相变压器示意图。
52.图25是本发明实施例提供的不等节距型直线移相变压器示意图。
53.图26是本发明实施例提供的克莱姆绕组型直线移相变压器示意图。
54.图中：1、接线盒；2、固定顶；3、固定螺母；4、原边；5、固定柱；6、绕组；7、副边；8、固定底座；9、a相；10、b相；11、c相。
具体实施方式
55.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
56.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种无槽直线式移相变压器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
57.如图1-图5所示，本发明实施例提供的无槽直线式移相变压器中固定底座8左右两侧安装有固定柱5，固定柱5上端与固定顶2连接，固定顶2上端安装有接线盒1，使引出线之间及引出线与变压器外壳之间绝缘，同时起固定引出线的作用。其中，固定柱5为四根，固定柱5上旋接有固定螺母3。
58.固定底座8上端安装有副边7，副边7上侧为绕组6，绕组6上端为原边4。原边4为原边铁芯，副边7为副边铁芯；副边7和原边4分别通过固定螺丝固定在固定柱5上。固定顶2四个角装有固定螺丝，本发明一边以四组逆变电路为输入，另一边输出三相交流电的直线式移相变压器。极对数为1，并联支路数为1，原副边固定不动，副边7和原边4均采用dw465-50硅钢片压制而成，绕组6采用紫铜聚氨酯铜线无氧铜线。绕组6沿铁芯表面借由聚酯胶或者环氧树脂粘贴，一端内部相接后，另一端引出，置于接线盒1上。
59.如图6-图8所示，原边4有12相，由四组逆变电路供电，每组逆变电路都为星形连接，各为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，副边7为3相。其中a1、a2、a3、a4串接成a相9，b1、b2、b3、b4串接成b相10，c1、c2、c3、c4串接成c相11；a、b、c三相为星形连接，同时另一端引出。
60.如图8所示，原边12相，其中a1、a2、a3、a4依次滞后15
°
，同理，b1-b4、c1-c4各相也依次滞后15
°
。a1、b1、c1依次滞后120
°
，同理，其他各相也依次滞后120
°
。原边12相，各相依次为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，其中a1首尾端分别记为a1、x1；a2首尾端记为a2、x2；a3首尾端记为a3、x3；a4首尾端记为a4、x4；b1首尾端记为b1、y1；b2首尾端记为b2、y2；b3首尾端记为b3、y3；b4首尾端记为b4、y4；c1首尾端记为c1、z1；c2首尾端记为c2、z2；c3首尾端记为c3、z3；c4首尾端记为c4、z4；然后，末端x1、y1、z1接在一起为公共端点o1，末端x2、y2、z2接在一起为公共端点o2，末端x3、y3、z3接在一起为公共端点o3。
61.a1由1个线圈组成，其中导体元件1和13相连，组成一个线圈；线圈的首端1和尾端13引出，可得a1的首尾端a1和x1；a2由1个线圈组成，其中导体元件2和14相连，组成一个线圈；线圈的首端2和尾端14引出，可得a2的首尾端a2和x2；a3由1个线圈组成，其中导体元件3和15相连，组成一个线圈；线圈的首端3和尾端15引出，可得a3的首尾端a3和x3；a4由1个线圈组成，其中导体元件4和16相连，组成一个线圈；线圈的首端4和尾端16引出，可得a4的首尾端a4和x4；b1由1个线圈组成，其中导体元件5和17相连，组成一个线圈；线圈的首端5和尾端17引出，可得b1的首尾端b1和y1；b2由1个线圈组成，其中导体元件6和18相连，组成一个线圈；线圈的首端6和尾端18引出，可得b2的首尾端b2和y2；b3由1个线圈组成，其中导体元件7和19相连，组成一个线圈；线圈的首端7和尾端19引出，可得b3的首尾端b3和y3；b4由1个线圈组成，其中导体元件8和20相连，组成一个线圈；线圈的首端8和尾端20引出，可得b4的首尾端b4和y4；c1由1个线圈组成，其中导体元件9和21相连，组成一个线圈；线圈的首端9和尾端21引出，可得c1的首尾端c1和z1；c2由1个线圈组成，其中导体元件10和22相连，组成一个线圈；线圈的首端10和尾端22引出，可得c2的首尾端c2和z2；c3由1个线圈组成，其中导体元件11和23相连，组成一个线圈；线圈的首端3和尾端15引出，可得c3的首尾端c3和z3；c4由1个线圈组成，其中导体元件12和24相连，组成一个线圈；线圈的首端12和尾端24引出，可得c4的首尾端c4和z4；
62.如图9所示，a的首尾端记为a、x；b的首尾端记为b、y；c的首尾端记为c、z；一端x、y、z接成公共点o；另一端对外引出，记为a、b、c，互差15
°
。a支路由4个线圈组成，其中导体元件
1和13，2和14，3和15，4和16分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序1-13-2-14-3-15-4-16首尾串联，从第一个线圈的首端1和第四个线圈的尾端16引出，可得a的首端a和尾端x；b支路由4个线圈组成，其中导体元件9和21，10和22，11和23，12和24分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序9-21-10-22-11-23-12-24首尾串联，从第一个线圈的首端9和第四个线圈的尾端24引出，可得b的首端b和尾端y；c支路由4个线圈组成，其中导体元件17和5，18和6，19和7，20和8分别相连，组成第一、二、三、四个线圈，再把四个线圈按照顺序17-5-18-6-19-7-20-8首尾串联，从第一个线圈的首端17和第四个线圈的尾端8引出，可得c的首端c和尾端z。副边三相a、b、c依次滞后120
°
。
63.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
64.本发明所设计的直线式移相变压器应用于12/3相多重叠加逆变系统，如图10所示，多重叠加逆变系统由控制电路、逆变电路、移相变压器和负载组成。
65.本发明所提供的十二相直线式移相变压器是由四组三相全桥逆变器以及一个直线式移相变压器组成，如图10所示。变压器由四组igbt组成的三相逆变电路输入，采用180
°
控制方式，每组输出6阶梯波，各组依次滞后15
°
。igbt导通顺序如表1所示，叠加合成为24阶梯波。由于变压器本身是感性的，所以具有滤波作用。图11是四组输出为6阶梯波的逆变电路移相后通过直线式移相变压器叠加合成为24阶梯波的示意图，通过这种叠加方式，可以有效降低低次谐波，改善输出的波形质量，直线式变压器起到叠加合成作用。
66.表1igbt导通顺序
67.导通顺序123456789101112导通igbtt1t7t13t19t2t8t14t20t3t9t15t21导通顺序131415161718192021222324导通igbtt4t10t16t22t5t11t17t23t6t12t18t24
68.下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步的描述。
69.与现有的双层有槽的直线式移相变压器进行对比，两种结构的直线式移相变压器的逆变电路均施加120v直流电，将其三相输出电压和电流进行对比。
70.图12-图15为相同条件下，无槽结构与有槽结构的电压电流以及谐波分析图，经过分析可知：
71.空载情况下，无槽结构与有槽结构输出均为24阶梯波，其中无槽结构电压基波值为454.2v，谐波含量为9.33％，有槽结构电压基波值为301.5v，谐波含量为10.58％，无槽结构的输出电压值明显高于有槽时的输出电压值，并且输出电压谐波含量会随负载减小而增大，空载时达到最大。这是因为绕组材料为感性，当有电流流过时，绕组起到分压和滤波的作用。负载越大，外接的阻抗的阻值就越小，绕组内的电流就越大，分压和滤波作用就越明显，对应的三相输出电压的基波幅值和谐波含量就越小。额定负载时，无槽结构与有槽结构输出均为近似为正弦波，其中无槽结构电压基波值为443.4v，谐波含量为3.57％，有槽结构电压基波值为184.8v，谐波含量为6.4％，无槽结构不仅提高了输出电压的值，同时也降低了谐波含量。
72.本发明所设计的直线式移相变压器也应用于3/12相多重叠加整流系统，如图16所示，多重叠加整流系统由整流电路、移相变压器和负载组成。
73.本发明所提供的十二相直线式移相变压器是由四组整流电路以及一个直线式移
相变压器组成，如图16所示。变压器由三相交流电源输入，副边可以得到依次滞后15
°
的十二相电压，整流后得到直流电源，直线式变压器起到分相作用。
74.图17-图20为无槽直线式移相变压器三相输入电压及输出直流电压，经分析可知：
75.原边输入三相交流电压后，副边会感应出十二相的电压，经过整流电路后，输出直流电压。对输出整流电压进行fft分析，可知，输出的直流电压主要的谐波是24次，符合十二相直线式移相变压器谐波的存在条件。同时，这种结构的直线式移相变压器能够提供稳定的直流电源，并且不需要滤波装置。
76.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。