一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器的制造方法
【專利摘要】一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器，包括原邊繞組、副邊繞組、繞組骨架、原邊匹配電容、副邊匹配電容。所述原邊繞組與原邊匹配電容串聯(lián)或并聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的電路發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容串聯(lián)或并聯(lián)連接，其構(gòu)成電路發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。所述副邊繞組及副邊匹配電容可以是一對、兩對或多對；原邊諧振頻率與副邊諧振頻率相同。所述原邊繞組、副邊繞組繞制在繞組骨架上；所述繞組骨架為非導(dǎo)磁材料，優(yōu)選為環(huán)氧樹脂材料。所述高頻空心變壓器繞組骨架可以是圓環(huán)形或其他形狀，原邊繞組、副邊繞組繞制繞組骨架上，保持較高的耦合系數(shù)。
【專利說明】一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高頻變壓器，特別涉及一種用于電力電子變壓器的基于磁耦合諧振技術(shù)的高頻空心變壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]為了適應(yīng)未來大規(guī)模直流電能發(fā)電、存儲、傳輸、使用，尤其是面向大規(guī)模光伏發(fā)電、大規(guī)模電化學(xué)電池存儲與轉(zhuǎn)換、大規(guī)模直流電能遠(yuǎn)距離傳輸、大規(guī)模直流電網(wǎng)建設(shè)、以及大容量直流電能的使用，建立和發(fā)展高壓直流電網(wǎng)成為可能。我國在大力發(fā)展多種形式的大規(guī)模直流電源，如光伏發(fā)電電源、電化學(xué)電池儲能和燃料電池電源等，這些大規(guī)模直流電源的理想接入方式應(yīng)該是直接接入高壓直流電網(wǎng)。此外，海岸風(fēng)電場的優(yōu)選接入方式也是與直流電網(wǎng)連接，與接入交流電網(wǎng)相比，可以節(jié)省一半的電力電子器件。建立和發(fā)展高壓直流電網(wǎng)需要很多關(guān)鍵設(shè)備的支撐，其中高壓直流斷路器和高壓直流電力變壓器是兩種關(guān)鍵裝備。高壓直流斷路器用于切斷和隔離高壓直流故障線路或故障單元。高壓直流電力變壓器具有和高壓交流電力變壓器類似的功能，即實(shí)現(xiàn)直流電能在不同直流電壓等級的變換。除電力電子變壓器之外，高壓開關(guān)直流電源也是與高壓直流變壓器相關(guān)的電力電子設(shè)備。開關(guān)直流電源在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和民用的各個行業(yè)都有廣泛應(yīng)用，例如電鍍工業(yè)、靜電除塵、靜電殺菌等行業(yè)。
[0003]基于對直流電力變壓器的巨大需求，國內(nèi)外的研究人員做了大量研究工作，目前電力電子變壓器的物理實(shí)現(xiàn)基本分為兩種大的技術(shù)方案。
[0004]一是基于全電力電子技術(shù)的，高低壓側(cè)直接電氣連接、無變壓器；如美國電科院于1995年制出第一臺全電力電子變壓器實(shí)驗樣機(jī)，其主電路拓?fù)洳捎肂uck主電路結(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。但這種電路也有很多缺點(diǎn):電路包含串聯(lián)器件，難以控制；沒有實(shí)現(xiàn)變頻；沒有電氣隔離；不能抑制輸入的電流諧波和調(diào)整功率因數(shù)。
[0005]二是基于變壓器磁耦合的電力電子技術(shù)，通過變壓器磁耦合實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)逆變/整流電路的電氣隔離。通過變壓器磁耦合實(shí)現(xiàn)高低壓側(cè)電路的電氣隔離，有利于保證電力系統(tǒng)的安全，且控制方案簡單。應(yīng)用于交流電網(wǎng)的電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般是含直流變換環(huán)節(jié)的交流/直流/交流/直流/交流多次電力變換。利用高頻鐵心變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換和原、副邊電路隔離，有利于提高電力變換效率，降低直流變壓器造價和運(yùn)行成本、提高直流電網(wǎng)運(yùn)行安全性。然而，由于采用了環(huán)氧體等導(dǎo)磁材料作為芯體，隨著需求容量的不斷提高，變壓器體積不斷增大，雖可通過提高工作頻率的辦法減小高頻變壓器本體的物理體積，但是隨著工作頻率的提高，可供散熱的表面積隨之減小，鐵芯和高頻損耗也隨之增力口，導(dǎo)致電能傳輸效率降低，鐵芯材料是影響高頻變壓器性能的重要因素。
[0006]另一種可能的措施是采用空心變壓器，空心式變壓器的優(yōu)點(diǎn)是由于沒有鐵芯，不存在鐵損問題，其使用頻率不受鐵磁材料的限制，同時，空心變壓器過載能力強(qiáng)，是一種較有前景的能量傳輸方式。然而空心變壓器磁阻大，能量傳輸效率低。
[0007]此外，還有一種在脈沖功率源領(lǐng)域經(jīng)常采用Tesla變壓器，該變壓器是一個具有特殊結(jié)構(gòu)的空心變壓器，以保證其在高壓下不發(fā)生放電；變壓器電源是一個電容器，變壓器負(fù)載是一個容性的脈沖形成線；工作時原邊繞組與對繞組放電的電容器諧振、副邊繞組與負(fù)載脈沖形成線電容諧振，且具有相同的諧振頻率。該變壓器的設(shè)計目的是得到盡量高的輸出電壓，為了達(dá)到目的，耦合系數(shù)k只能取某些固定的值。如上述，Telsa變壓器的特殊結(jié)構(gòu)只是為了在極高的電壓下不發(fā)生放電，并不能保證穩(wěn)定的能量輸出，同時原、副邊耦合系數(shù)需要嚴(yán)格控制，而這在生產(chǎn)中是不容易實(shí)現(xiàn)的。
[0008]目前還有一種技術(shù)即磁耦合諧振的無線能量傳輸技術(shù)，該技術(shù)最早有美國麻省理工大學(xué)的研究組發(fā)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離(即傳輸距離是發(fā)射線圈尺寸的幾倍)的傳輸，且仍能得到較高的效率和較大的功率，但其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效率的能量傳輸。
[0009]專利CN201210301956.6、CN201310035764.x 及 CN201310061424.4 中都提到采用磁耦合諧振技術(shù)進(jìn)行中遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)脑O(shè)備，但其中主要目的是實(shí)現(xiàn)較高傳輸效率、較遠(yuǎn)距離的能量傳輸，并不能實(shí)現(xiàn)電壓變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有空心變壓器磁阻大，效率低的缺點(diǎn)，提出一種采用空心結(jié)構(gòu)的高頻變壓器。本發(fā)明不但能夠克服空心變壓器磁阻大，效率低的缺點(diǎn)，還因?qū)︸詈舷禂?shù)k的取值范圍相對寬松，且能夠穩(wěn)定傳輸能量。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0012]所述高頻空心變壓器包括原邊繞組、副邊繞組、繞組骨架、原邊匹配電容和副邊匹配電容5個部分。
[0013]所述高頻空心變壓器原邊繞組、副邊繞組、原邊匹配電容、副邊匹配電容可以為以下所述四種結(jié)構(gòu)之一:
[0014]所述原邊繞組與原邊匹配電容串聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容串聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振。
[0015]所述原邊繞組與原邊匹配電容串聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容并聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成的并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振。
[0016]所述原邊繞組與原邊匹配電容并聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容串聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振。
[0017]所述原邊繞組與原邊匹配電容并聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容并聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成電路發(fā)生并聯(lián)諧振。
[0018]所述原邊諧振頻率與副邊諧振頻率相同。
[0019]所述的繞組骨架采用圓環(huán)形、方形等多種結(jié)構(gòu)，原邊繞組、副邊繞組繞制在繞組骨架上，可以同心繞制即內(nèi)圈為原邊、外圈為副邊，也可以不同心繞制，但需保持較高的耦合系數(shù)，降低線材的用量。繞組骨架的材質(zhì)為非導(dǎo)磁材料，優(yōu)選環(huán)氧樹脂材料。
[0020]所述的副邊繞組及副邊匹配電容可以為兩個或多個。多個對副邊繞組與多個副邊匹配電容之間可以串聯(lián)或并聯(lián)連接，多對副邊繞組與多個副邊匹配電容構(gòu)成的電路可以是串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路。
[0021]所述的副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成并聯(lián)電路時，高頻空心變壓器的副邊繞組電感Ls，原邊繞組與副邊繞組的互感M，諧振頻率ω，原邊繞組的等效電阻Rp、副邊繞組的等效電阻Rs，負(fù)載電阻R滿足如下關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述的變壓器包括原邊繞組、副邊繞組、繞組骨架、原邊匹配電容和副邊匹配電容；所述的原邊繞組與原邊匹配電容串聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容串聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振；原邊諧振頻率與副邊諧振頻率相同；所述高頻空心變壓器的變比K，原邊繞組與副邊繞組的互感M，諧振頻率ω，原邊繞組的等效電阻Rp、副邊繞組的等效電阻RS，以及負(fù)載電阻R滿足如下關(guān)系:
2.一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述的變壓器包括原邊繞組、副邊繞組、繞組骨架、原邊匹配電容和副邊匹配電容；所述原邊繞組與原邊匹配電容串聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的串聯(lián)電路發(fā)生串聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容并聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成的并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振；原邊諧振頻率與副邊諧振頻率相同；所述高頻空心變壓器的副邊繞組電感Ls，原邊繞組與副邊繞組的互感M，諧振頻率ω，原邊繞組的等效電阻Rp、副邊繞組的等效電阻Rs，以及負(fù)載電阻R滿足如下關(guān)系:
3.一種磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述的變壓器包括原邊繞組、副邊繞組、繞組骨架、原邊匹配電容和副邊匹配電容；所述原邊繞組與原邊匹配電容并聯(lián)連接，且工作時原邊繞組及原邊匹配電容構(gòu)成的并聯(lián)電路發(fā)生并聯(lián)諧振，所述副邊繞組與副邊匹配電容串聯(lián)或并聯(lián)連接，副邊繞組與副邊匹配電容構(gòu)成的電路發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振；所述原邊諧振頻率與副邊諧振頻率相同。
4.按照權(quán)利要求1或2或3所述的磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述的原邊繞組和副邊繞組繞制在繞組骨架上；所述繞組骨架為非導(dǎo)磁材料制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于所述的繞組骨架的材料優(yōu)選環(huán)氧樹脂材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述高頻空心變壓器的原邊繞組和副邊繞組采用利茲線繞制，或采用超導(dǎo)線或銅線或鋁線或電纜繞制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的磁耦合諧振的高頻空心變壓器，其特征在于:所述的高頻空心變壓器的原邊繞組、副邊繞組優(yōu)選采用利茲線繞制。
【文檔編號】H01F27/28GK104036921SQ201410246738
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】張國強(qiáng), 李康 申請人:中國科學(xué)院電工研究所