專利名稱：有載平滑調(diào)壓變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，特別是配電系統(tǒng)中的變壓器副方電壓的調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)最基本的組成設(shè)備，在輸配電系統(tǒng)中起著十分重要的作用。電力系統(tǒng)中通常采用的是鐵芯式電力變壓器，它具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是，目前應(yīng)用的鐵芯式電力變壓器存在缺點(diǎn)之一是變壓器副方電壓不可調(diào)，不能維持變壓器副方電壓恒定，在原方電壓一定時，隨著負(fù)載的增大，其副方電壓將下降。為了解決這個問題，變壓器設(shè)計(jì)者采用了在變壓器某一側(cè)繞組線圈上引出若干個分接頭的方法實(shí)現(xiàn)對變壓器電壓的調(diào)節(jié)，早期采用這種方法調(diào)節(jié)電壓時需首先將變壓器脫離開電網(wǎng)，再通過倒換分接頭的方法來變換繞組的有效匝數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的，但采用這種方法變壓器每倒換一次分接就要停一次電，直接影響供電可靠性。后來出現(xiàn)了有載調(diào)壓技術(shù)，即在不切斷負(fù)荷電流的條件下，實(shí)現(xiàn)分接頭的切換，達(dá)到調(diào)壓的目的。但是，這種切換分接頭調(diào)壓方式的一個難以克服的缺點(diǎn)是它對電壓的調(diào)節(jié)是有級的，不能實(shí)現(xiàn)電壓的平滑調(diào)節(jié)；另外，切換分接頭通常是通過機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)動作時會產(chǎn)生電弧，影響開關(guān)和變壓器壽命，只用于穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)節(jié)。
從國內(nèi)外這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用情況看，針對機(jī)械式開關(guān)存在的缺點(diǎn)，近年來出現(xiàn)了采用電力電子開關(guān)(如晶閘管)實(shí)現(xiàn)的有載調(diào)壓技術(shù)，參見李曉明，黃俊杰，尹項(xiàng)根，等，平滑無沖擊電力電子有載調(diào)壓裝置。電力系統(tǒng)自動化，2003，27(20)45～48。這種技術(shù)通過適當(dāng)選擇電力電子開關(guān)的通斷時刻和通斷配合，可以實(shí)現(xiàn)無弧，無沖擊有載調(diào)壓控制。但是，其對電壓的調(diào)節(jié)依舊是有級的。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型提出一種有載平滑調(diào)壓變壓器，以實(shí)現(xiàn)變壓器副方電壓的平滑調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型提出一種有載平滑調(diào)壓變壓器，包括鐵芯式變壓器，其特征為電力電子變壓器的輸入端子和常規(guī)鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。
所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，對于一相電力變壓器，電力電子變壓器的兩個輸入端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器的兩個輸出端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接。
所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，對于三相電力變壓器，變壓器原副方是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法，相應(yīng)的電力電子變壓器三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器副方的三相接線端相連接，電力電子變壓器六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相任何一個分接頭相連接。
本實(shí)用新型提出的可實(shí)現(xiàn)變壓器副方電壓平滑調(diào)節(jié)的有載調(diào)壓技術(shù)的基本原理是在保持原有鐵芯式變壓器結(jié)構(gòu)不變的條件下，加裝以電力電子變流技術(shù)為基礎(chǔ)的有載調(diào)壓裝置來實(shí)現(xiàn)電力變壓器副方電壓的平滑調(diào)節(jié)，既可用于新變壓器的有載調(diào)壓，且該新變壓器只需一個分接頭，大大減少了分接頭數(shù)量，也可直接用于現(xiàn)有的有載或無載調(diào)壓變壓器的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下付方電壓具有較好的性能。該裝置具有實(shí)現(xiàn)、維護(hù)簡單且使用壽命長的特點(diǎn)，對提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和電壓質(zhì)量具有重要意義。
本方案相對現(xiàn)有的有載調(diào)壓技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)1.可實(shí)現(xiàn)變壓器副方電壓的無級平滑調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)特性可以根據(jù)需要任意設(shè)定。
2.可直接用于目前電網(wǎng)中的變壓器，無需改變常規(guī)變壓器的結(jié)構(gòu)。
3.變換裝置體積小，無斷路器。
4.在暫態(tài)情況下也可保證付方電壓具有較好的性能。
5.需要時，可以實(shí)現(xiàn)按相平滑調(diào)節(jié)電壓。


圖1為本實(shí)用新型一相的電力變壓器副方電壓平滑調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為三相電力變壓器副方電壓平滑調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)示意圖；圖3所示為電力電子變壓器基本原理框圖；圖4為本實(shí)用新型采用的一相電力電子變壓器的一種具體結(jié)構(gòu)；圖5為本實(shí)用新型采用的一相電力電子變壓器的另一種具體結(jié)構(gòu)；圖6為本實(shí)用新型采用的三相電力電子變壓器的一種具體結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型提出的一相電力電子變壓器1為一個有輸入和輸出端口的裝置，其輸入和輸出端均有兩個端子，其中，電力電子變壓器1的兩個輸入端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器2的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器1的兩個輸出端子則通常分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的一個正常接線輸入端子(也可是其它任何一個端子或分接頭)和繞組最外端一個分接頭4(也可是其它任何一個端子或分接頭3)相連接。當(dāng)變壓器副方電壓隨負(fù)載變化偏離設(shè)定值時，可通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。
對于三相電力變壓器，如圖2所示(變壓器原副方也可是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法)，相應(yīng)的電力電子變壓器1的輸入端有三個端子，輸出端有六個端子，其三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器2副方的三相接線端相連接，六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相最外端一個分接頭3、4、5(也可是其它任何一個分接頭)相連接。對于三相系統(tǒng)，本實(shí)用新型的電力電子變壓器可以實(shí)現(xiàn)對三相電壓的獨(dú)立控制。
電力電子變壓器基本原理框圖可如圖3所示，輸入工頻交流信號經(jīng)過第一電力電子變換器6成為高頻信號，該高頻信號經(jīng)高頻變壓器7耦合后，再由第二電力電子變換器8變換為工頻交流信號輸出，高頻變壓器7和第一電力電子變換器6之間有控制器9；電力電子變壓器的具體結(jié)構(gòu)可如圖4或圖5所示，也可是其它方式。
圖4所示的電力電子變壓器的電路結(jié)構(gòu)可描述如下電力電子變壓器由8個雙向開關(guān)組成，輸入端雙向開關(guān)為Sw1，Sw2，Sw3，Sw4，輸出端雙向開關(guān)為Sw1’，Sw2’，Sw3’，Sw4’。每個開關(guān)由兩個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件反向串聯(lián)構(gòu)成，輸入和輸出端間由高頻變壓器7耦合。其工作原理為首先，變壓器副方的工頻電壓信號經(jīng)輸入端被調(diào)制為中高頻交流電壓信號；接著，高頻交流電壓信號通過高頻變壓器7耦合到其副方；隨后，高頻交流電壓信號在輸出端被反調(diào)制后得到高頻電壓，輸出端開關(guān)信號與輸入端對應(yīng)開關(guān)信號相同，只是滯后一個相角，通過對滯后相角的控制即可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)。最后，高頻電壓信號經(jīng)輸出濾波器濾波后得到所需幅值的工頻電壓信號。
如上所述，當(dāng)變壓器副方電壓隨負(fù)載變化偏離設(shè)定值時，可通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。
圖5所示的電力電子變壓器的電路結(jié)構(gòu)可描述如下輸入級由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋；隔離級可分為三個部分，分別為高頻調(diào)制部分，高頻變壓器7，還原部分，其中隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，它將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為5～10k赫茲高頻方波信號，還原部分則將高頻方波信號被還原為直流電壓信號。高頻調(diào)制/還原部分均為由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相全控橋；輸出級由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋。其工作原理為變壓器副方的工頻電壓信號在輸入端首先經(jīng)AC/DC變換成直流，隨后直流被調(diào)制為高頻信號再經(jīng)高頻變壓器耦合到副方，最后在輸出端進(jìn)行DC/AC變換同樣，當(dāng)變壓器副方電壓隨負(fù)載變化偏離設(shè)定值時，可通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。
圖6所示的電力電子變壓器的電路結(jié)構(gòu)可描述如下輸入級由6只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成三相全控橋；隔離級可分為三個部分，分別為高頻調(diào)制，高頻變壓器，還原部分，其中隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，該部分由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋。高頻變壓器原方一個繞組，副方有三個繞組，隔離級靠輸出級側(cè)部分為還原部分，由12只二極管組成3個獨(dú)立的單相整流橋。輸出級由12只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成3個獨(dú)立的單相全控橋，輸出三相交流電。
下面，對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
舉例進(jìn)行說明。
例一100kVA，6300V/380V，以圖4為基礎(chǔ)的單相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由4個雙向開關(guān)組成，每個雙向開關(guān)由兩個1200V/100A的一單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊反向串聯(lián)構(gòu)成，通過輸入級，工頻交流電壓被調(diào)制成為6k赫茲的高頻交流電壓；高頻變壓器按10kVA，開關(guān)頻率6k赫茲設(shè)計(jì)；電力電子變壓器輸出級由4個雙向開關(guān)組成，每個雙向開關(guān)由兩個3300V/100A的一單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊反向串聯(lián)構(gòu)成，高頻交流電壓通過輸出級被還原為工頻電壓。
例二100kVA，10000V/380V，以圖5為基礎(chǔ)的單相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由2個1200V/100A的兩單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過輸入級，工頻交流電壓被整流為直流電壓；隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，由2個1200V/100A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，直流電壓被調(diào)制成為5k赫茲的高頻方波；高頻變壓器按10kVA，開關(guān)頻率5k赫茲設(shè)計(jì)，隔離級靠輸出級側(cè)部分為還原部分，由兩個3300V/100A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；電力電子變壓器輸出級由2個3300V/100A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成單相全控橋，通過輸出級，直流電壓被逆變?yōu)楣ゎl交流電壓。
例三100kVA，10000V/380V，以圖6為基礎(chǔ)的三相降壓變壓器。
電力電子變壓器輸入級由3個1200V/100A的兩單元IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)模塊組成三相全控橋，通過輸入級，工頻交流電壓被整流為直流電壓；隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，由2個1200V/100A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，直流電壓被調(diào)制成為5k赫茲的高頻方波；高頻變壓器按10kVA，原方一個繞組，副方三個繞組，開關(guān)頻率5k赫茲設(shè)計(jì)，隔離級靠輸出級側(cè)部分為還原部分，由六個3300V/100A的兩單元IGBT模塊構(gòu)成，通過這一級，高頻方波被還原為直流電壓；電力電子變壓器輸出級由6個3300V/100A的兩單元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模塊組成三個單相全控橋，通過輸出級，直流電壓被逆變?yōu)槿犯髯元?dú)立的工頻交流電壓。
權(quán)利要求1.一種有載平滑調(diào)壓變壓器，包括鐵芯式變壓器，其特征為電力電子變壓器的輸入端子和常規(guī)鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。
2.權(quán)利要求1所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，其特征為對于一相電力變壓器，電力電子變壓器的兩個輸入端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的副方兩個端子相連接，電力電子變壓器的兩個輸出端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接。
3.權(quán)利要求2所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器包括8個雙向開關(guān)，輸入端4個雙向開關(guān)，輸出端4個雙向開關(guān)，每個雙向開關(guān)由兩個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)器件反向串聯(lián)構(gòu)成，輸入和輸出端間由高頻變壓器耦合。
4.權(quán)利要求2所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級構(gòu)成，輸入級由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋；隔離級可分為高頻調(diào)制部分、高頻變壓器和還原部分，其中隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，還原部分則將高頻方波信號被還原為直流電壓信號，高頻調(diào)制/還原部分均為由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成的單相全控橋；輸出級由四只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋。
5.權(quán)利要求1所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，其特征為對于三相電力變壓器，變壓器原副方是三角形接法或者是帶或不帶中性線的星形接法，相應(yīng)的電力電子變壓器三個輸入端子分別和鐵芯式變壓器副方的三相接線端相連接，電力電子變壓器六個輸出端子則分別和鐵芯式變壓器的原方的三相接線端和各相任何一個分接頭相連接。
6.權(quán)利要求5所述的有載平滑調(diào)壓變壓器，其特征為所述電力電子變壓器由輸入級、隔離級和輸出級構(gòu)成，輸入級由6只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成三相全控橋；隔離級分為高頻調(diào)制部分、高頻變壓器和還原部分，其中隔離級靠輸入級側(cè)部分為高頻調(diào)制部分，該部分由4只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成單相全控橋，高頻變壓器原方一個繞組，副方有三個繞組，隔離級靠輸出級側(cè)部分為還原部分，由12只二極管組成3個獨(dú)立的單相整流橋；輸出級由12只帶續(xù)流二極管的開關(guān)器件組成3個獨(dú)立的單相全控橋，輸出三相交流電。
專利摘要有載平滑調(diào)壓變壓器，涉及電力系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)變壓器副方電壓的平滑調(diào)節(jié)。電力電子變壓器的輸入端子和常規(guī)鐵芯式變壓器的副方相連接，電力電子變壓器的輸出端子分別和常規(guī)鐵芯式變壓器的原方的輸入端子、輸入繞組分接頭相連接，通過調(diào)節(jié)電力電子變壓器的輸出電壓幅值來改變鐵芯式變壓器的原方輸入電壓幅值，從而實(shí)現(xiàn)對副方電壓的調(diào)節(jié)。既可用于新變壓器的有載調(diào)壓，且該新變壓器只需一個分接頭，大大減少了分接頭數(shù)量，也可直接用于現(xiàn)有的有載或無載調(diào)壓變壓器的技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下副方電壓具有較好的性能。該裝置具有實(shí)現(xiàn)、維護(hù)簡單且使用壽命長的特點(diǎn)，對提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和電壓質(zhì)量具有重要意義。
文檔編號H02M5/10GK2681302SQ20042001719
公開日2005年2月23日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月18日
發(fā)明者毛承雄, 陸繼明, 范澍, 王丹 申請人:華中科技大學(xué)