專利名稱：一種用z型連接繞組做成的均衡器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用Z型連接繞組做成的均衡器，將其用于供電裝置可改善三相電系統(tǒng)中的均衡，從而將均衡器用作例如一個(gè)濾波器，當(dāng)其用于測(cè)量裝置時(shí)，可使得三相系統(tǒng)中電量的幅值、相位和頻率的穩(wěn)定參考點(diǎn)能形成。在此上下文中特別地用供電裝置這個(gè)詞來(lái)表示被設(shè)計(jì)用做變壓、超高壓限制和電流分布等操作一類的裝置，用測(cè)量裝置這個(gè)詞來(lái)表示為測(cè)量目的而設(shè)計(jì)，且本身不帶有效電源的裝置。
三相制的根本概念要求電路對(duì)稱并保持純正弦的電壓和電流。為了此目的，無(wú)論有無(wú)中線，電流要通過三個(gè)獨(dú)立相的導(dǎo)線。在一個(gè)有中線的不對(duì)稱電路中，電流會(huì)被流入中線。在有零序特性的諧波對(duì)稱負(fù)載下，中線也會(huì)產(chǎn)生電流。在三相電路中，中線中存在電流，會(huì)產(chǎn)生下述問題-電壓不對(duì)稱-裸露元件帶電-變壓器和中線中的能量損耗-磁場(chǎng)等等。
如果在此時(shí)零序電流被接通到相位導(dǎo)線上，電流會(huì)變得較對(duì)稱，上述的問題會(huì)減小到相應(yīng)程度。三相電路中，為均衡各種不對(duì)稱的方案，以前有所公開。在SU1206-881中，描述了這樣一種方案的實(shí)例。原先公開的結(jié)構(gòu)是基于原先公開過的Z型連接，在這種連接中，電容器是和初級(jí)繞組并聯(lián)后連接到三相電路的相位導(dǎo)線上的。然而，Z型連接是按原來(lái)公開的方法做在三角架鐵芯上的，這種方案有一定的缺陷。在無(wú)負(fù)荷操作時(shí)磁軛流(yoke flow)已經(jīng)存在，這使得在鐵芯外的磁軛的不同部分之間產(chǎn)生接觸。由于鐵芯電路有差異并且繞組不能對(duì)稱地做在各個(gè)相的鐵芯長(zhǎng)度上面，所以只要有不對(duì)稱負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生差異。
原先公開的結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱還會(huì)引起雜散磁通，這些磁通在負(fù)載和增加諧波量的情況下會(huì)增加。
類似的原先公開的方案在SU15 04-725中也有描述。
DE 2155903描述了一種用不同方式做的均衡器。在這個(gè)實(shí)例中沒有用Z型連接，每一相都有一個(gè)按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的磁鐵芯，在這種結(jié)構(gòu)中，次級(jí)繞組數(shù)對(duì)應(yīng)于相位數(shù)。
US2488628的方案也提出了利用分開的磁鐵芯做為均衡器的可能性。據(jù)說(shuō)，它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)每個(gè)單獨(dú)操作時(shí)簡(jiǎn)化了傳輸。然而，一般來(lái)講這種結(jié)構(gòu)的操作沒有任何改變。
本發(fā)明的主要目的是做一個(gè)有效的均衡器，它在三相電路中的均衡作用比原來(lái)公開的技術(shù)都做得好。在這個(gè)方案中，三相制中每一相的均衡器有一個(gè)獨(dú)立的環(huán)形磁鐵芯，在該磁鐵芯上，至少裝有兩個(gè)在電氣上互相絕緣的繞組，并且繞組是Z型連接的。這種新的均衡器準(zhǔn)備起到一個(gè)電感器和一個(gè)變壓器的作用。在前一種情況下，每個(gè)磁鐵芯上有兩個(gè)次級(jí)線圈的繞組，在后一種情況下，在每一個(gè)磁鐵芯上有一個(gè)初級(jí)線圈的繞組。
在三個(gè)獨(dú)立的鐵芯上做得Z型連接，對(duì)這個(gè)電路所有三相來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)是完全對(duì)稱的。用2個(gè)繞組同時(shí)纏繞和在鐵芯上均勻分布的辦法，還可進(jìn)一步改善對(duì)稱性(一個(gè)鐵芯上有2個(gè)繞組)。用這種方法，雜散磁通減小，零序阻抗幾乎是純電阻性的。這意味著零序阻抗不受頻率的影響，因此，其強(qiáng)度可以僅用粗線(coarse wire)繞制線圈的能力來(lái)決定。
應(yīng)該注意到在三角架鐵芯上的Z型連接產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)比在副邊以Y連接的等效變壓器的漏磁場(chǎng)小。于是，三個(gè)Z型連接的單相變壓器更進(jìn)一步減小了漏場(chǎng)。環(huán)式鐵芯具有很小的漏場(chǎng)。漏場(chǎng)取決于繞組的形狀和鐵芯材料，環(huán)形三相連接的漏場(chǎng)比等效的單相和三相變壓器產(chǎn)生的漏場(chǎng)小。以Z型連接的三個(gè)環(huán)形變壓器將環(huán)形和Z連接的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起。
本發(fā)明在前序部分中不太清楚的重要特征可在獨(dú)立權(quán)利要求中得知。
以下將結(jié)合附圖，以舉出優(yōu)選實(shí)施例的方式進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1說(shuō)明的是按照本發(fā)明做的均衡器，它是一個(gè)電感式連接的；圖2說(shuō)明的是按照?qǐng)D1實(shí)施的電感式連接。用一個(gè)開口的附加D繞組作輔助繞組，外部的阻抗元件可連接到D繞組上。
圖3說(shuō)明的是按照?qǐng)D2方式連接的這種方案的UI特性曲線圖。
圖4說(shuō)明的是按照本發(fā)明的幾個(gè)變壓器的連接方案之一。
圖5和圖6說(shuō)明的是一部分以Y連接的電容器，一部分連接成Z型電感器的連接方案。
圖7說(shuō)明的是一個(gè)按照本發(fā)明連接方案的零序阻抗的頻率圖。
在不同的圖中的相似元件以相同圖符來(lái)表示。
圖1中說(shuō)明的均衡器作為一個(gè)電感器連接到三相配電線路L1、L2和L3的設(shè)定點(diǎn)上。負(fù)載10連接在相線L1和中線N之間。在這個(gè)實(shí)例中的均衡器有三個(gè)完全獨(dú)立的用鐵做的磁鐵芯12、14和16。磁鐵芯12、14和16被獨(dú)立設(shè)置成環(huán)形，每個(gè)鐵芯有2個(gè)電繞組18、20；22、24；26、28。獨(dú)立鐵芯上的繞組彼此在電氣上是完全絕緣的，并且是同軸排列的(這在圖上未畫出)，在這個(gè)實(shí)例中，繞組具有相當(dāng)不同的阻抗。在圖示說(shuō)明的Z連接中，總是靠連接外部繞組(如18)連到內(nèi)部繞組24上來(lái)抵消在低頻時(shí)的阻性差異，但依然存在不同的感應(yīng)。用雙線繞組可使阻性部分和感性部分都得到平衡。由于電流在其它元件中流動(dòng)，所以增大漏磁通意味著電阻下降。因?yàn)榇盆F芯12、14和16是完全獨(dú)立的，它們之間沒有磁的連接。然而，這種獨(dú)立意味著對(duì)每個(gè)鐵芯12、14和16的安匝數(shù)平衡的要求很高。用獨(dú)立鐵芯和延長(zhǎng)繞組這種結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到獲得最小漏場(chǎng)的目的。
本發(fā)明思想的根本理論是基于下述情況讓我們假定繞組18、20；22、24；26、28有不同的匝數(shù)N1och N2I-R=I-F+I-A]]>I-S=I-B]]>I-T=I-C]]>-I-F=I-A+I-B+I-C]]>I-A·N-1=I-C·N-2]]>I-B·N-1=I-A·N-2]]>I-C·N-1=I-B·N-2]]>于是安匝的平衡的條件是N1=N2，并且電流IA＝IB＝IC，即IP＝3·IA按照本發(fā)明原理做的Z型連接的三相變壓器或電感器也能用來(lái)限制電壓。因此，圖1中所說(shuō)明的電感式連接圖可以作成圖2所示的將附加D繞組30、32和34繞在獨(dú)立鐵芯12、14和16上。根據(jù)圖3的曲線圖可以看到，UI特性曲線上的拐點(diǎn)由于附加繞組而發(fā)生變化。左邊的曲線圖表示當(dāng)連接外接D繞組的情況，右邊的曲線圖表示沒有外接繞組時(shí)的情況。上述方案也可應(yīng)用于配電和發(fā)電，例如，應(yīng)用于異步電機(jī)的電容器磁化。在這個(gè)實(shí)施例中，Z型連接線除了提供過電壓保護(hù)還提供一個(gè)電路中點(diǎn)、負(fù)荷均衡。當(dāng)這種均衡器用于這種電壓限制時(shí)，它的頻率特性取決于鐵芯和線圈的設(shè)計(jì)。
由于繞組電壓的相位，一個(gè)Z型連接的三角架變壓器通常繞有15％的外部線匝，如果三個(gè)獨(dú)立的單相變壓器以環(huán)形Z型連接做成三相變壓器，則不需要附加安匝數(shù)就可以起磁到全電壓(full voltage)。這是因?yàn)樵诋?dāng)繞組上總電壓是正弦的同時(shí)分電壓發(fā)生了畸變。這意味著按本發(fā)明原理做成的變壓器，能隨著磁化電流中諧波分量的增加而只需較小的線圈匝數(shù)。這種效果可部分減少Z型變壓器/電感器的成本，部分對(duì)電壓進(jìn)行了限制。
三角架變壓器的繞制方法允許鐵芯材料不用薄片或不連接的形式。也可采用固體鐵芯，鐵氧體鐵芯等等。這種鐵芯具有很好的高頻特性，用于干擾濾波器效果很好。
三相變壓器的原邊繞組可以是D、Y或Z型連接的，但為了對(duì)稱和具有低阻抗，付邊繞組總是Z型連接。用舉例的辦法，圖4說(shuō)明的變壓器連接有D型連接的原邊和Z型連接的付邊。如果原邊和付邊繞組分開做，則會(huì)發(fā)生通常限制的短路電流。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是短路時(shí)的過壓能在原邊處理，而付邊電壓不會(huì)增大到超過極限值。
如果Z型連接電感器接到電路末端，即使沿線上有單相或雙相短路發(fā)生，也能獲得很好的均衡，這意味著電壓和電流變化的均衡。
舉一個(gè)具有獨(dú)立的環(huán)形磁鐵芯的Z型連接三相變壓器/互感器的實(shí)例，這是一個(gè)當(dāng)沒有負(fù)荷操作時(shí)電壓、電流、功率和功率因數(shù)全部是對(duì)稱的三相電路。當(dāng)用獨(dú)立磁鐵芯時(shí)，在額定電壓上的功率因數(shù)也明顯高于用三角架鐵芯上的功率因數(shù)。
通常，用Y型連接的阻抗元件(電感、電阻、電容)測(cè)量零點(diǎn)電壓。一個(gè)由三個(gè)按照本發(fā)明原理做成的單相電抗器(reactor)組成的Z型電感器的零序(zero sequence)阻抗明顯地低于正序(plus sequence)阻抗。實(shí)施例是-以電抗器的形式(圖1，但沒有負(fù)載阻抗(10))-作為變壓器(按圖4的例子)；按圖5和圖6的方式接上電容器。
按圖5的連接方法，電容器38、40、42點(diǎn)有大部分基波電壓，于是減小了鐵芯的體積。圖6中的電容器38′、40′、42′在特高頻時(shí)，對(duì)增大的漏電感進(jìn)行補(bǔ)償。
通常認(rèn)為零序阻抗是感性的(Zo＝X0)。零序阻抗一般由繞線線圈的特性和鐵芯線圈的電感特性組成(相當(dāng)于電流變壓器中磁化電路的電感部分)。Z型連接提供了在繞組之間的電流均衡。繞組之間的連接越好，用的鐵芯就越少。如果用雙線繞制，則可做到好的連接。環(huán)形繞組具有提供低漏場(chǎng)的能力，因此，可得到減小直接漏電感和對(duì)鐵芯補(bǔ)償?shù)男Ч?。通過三相連接中用Z型連接三個(gè)環(huán)形鐵芯，由于有前述的那些特性，因而其零序場(chǎng)阻抗具有很平坦的頻率特性。這些可從圖7的曲線中看到，其中，Zg表示基波阻抗，fo表示基波頻率，fm是在Zo最小值時(shí)的頻率。
基波頻率阻抗總是純電阻性的，當(dāng)頻率增加時(shí)，電抗變化很小。變化率取決于鐵芯和線圈的制作方法。從曲線圖中可看到達(dá)到了最低點(diǎn)，這意味著零序阻抗對(duì)三次諧波來(lái)講比對(duì)基波的要低。Z型連接環(huán)形變壓器/電抗器使得零序阻抗在寬頻范圍里基本上是呈電阻性的。零序阻抗的電阻部分主要由繞組的電阻構(gòu)成。用圖6所示附加電容器的方法可進(jìn)一步擴(kuò)展電阻頻率范圍。
如果在正常的三相配電網(wǎng)中相位中斷，包括不對(duì)稱負(fù)載、單相或二相的情況，就會(huì)產(chǎn)生中間電壓。在三相電網(wǎng)中接地的情況，在斷開時(shí)間內(nèi)，在任何非接地相導(dǎo)線中對(duì)地電壓會(huì)升高。擴(kuò)展的接地系統(tǒng)能導(dǎo)致系統(tǒng)不同的接地部分(如排水管、水管保護(hù)接地等等)之間加上電壓。從用電安全的觀點(diǎn)來(lái)看，按本發(fā)明做的均衡器帶來(lái)的均衡意味著不對(duì)稱電流盡可能在非對(duì)稱點(diǎn)附近反饋回到三相網(wǎng)絡(luò)的各相中。一個(gè)做變壓器或電抗器的均衡器的實(shí)施例表明零序阻抗實(shí)質(zhì)上明顯是純電阻，結(jié)果外部磁場(chǎng)很小。
使用按本發(fā)明做成的均衡器的三相網(wǎng)絡(luò)在負(fù)荷變化、干擾、開/關(guān)切換、失相等情況下能更好地保持對(duì)稱。這意味著在中線和導(dǎo)桿上沒有像地電流、磁場(chǎng)、過電壓、過載等形式的干擾問題。原來(lái)公開的那些辦法是對(duì)這些干擾問題個(gè)別的補(bǔ)救辦法，沒有將系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮。
權(quán)利要求
1.一種用Z型連接繞組做成的均衡器，其用于供電裝置，可改善三相電系統(tǒng)中的均衡，從而均衡器能作為例如一個(gè)濾波器，當(dāng)其用于測(cè)量裝置時(shí)，可使三相系統(tǒng)中的電量的幅值、相位和頻率的穩(wěn)定參考點(diǎn)能形成，其特征在于三相系統(tǒng)中每一相的均衡器包括一個(gè)獨(dú)立的環(huán)形磁鐵芯(12，14和16)，在每個(gè)鐵芯上至少設(shè)置2個(gè)彼此在電氣上互相絕緣的、并按Z型連接的繞組(18，20；22，24；26，28)。
2.如權(quán)利要求1所述的均衡器，其特征在于它包括在每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)上有兩個(gè)繞組(20，30；24，32；28，34)或次級(jí)繞組，均衡器和鐵芯連接可作為電抗器。
3.如權(quán)利要求1所述的均衡器，其特征在于在每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)上的繞組之一有初級(jí)繞組，它和均衡器連接可作為變壓器。
4.如權(quán)利要求1至3中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于磁鐵芯(12，14，16)是勻質(zhì)的。
5.如權(quán)利要求1至4中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于磁鐵芯是鐵氧體磁芯。
6.如權(quán)利要求1至5中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于安放在每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)上的繞組之間有間隙。
7.如權(quán)利要求3至6中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于三個(gè)磁鐵芯(12，14，16)的原邊繞組是D，Y或Z型連接。
8.如權(quán)利要求1至7中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)上的繞組是雙線繞制的。
9.如權(quán)利要求1至8中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于繞組沿著每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)整個(gè)范圍都均勻分布。
10.如權(quán)利要求1至9中任一個(gè)權(quán)利要求所述的均衡器，其特征在于每個(gè)磁鐵芯(12，14，16)上的繞組相互之間是同軸放置的。
全文摘要
一種均衡器,其用于供電裝置,可改善三相電系統(tǒng)中的均衡,從而該均衡器能作為例如一個(gè)濾波器,當(dāng)其用于測(cè)量裝置時(shí),可使得形成三相系統(tǒng)中的電量的幅值、相位和頻率的穩(wěn)定參考點(diǎn),該均衡器特征在于,三相系統(tǒng)中每一相的均衡器包括一獨(dú)立的環(huán)形磁鐵芯(12、14和16);在每個(gè)鐵芯上至少設(shè)置2個(gè)彼此在電氣上互相絕緣的、并按Z型連接的繞組(18,20;22,24;26,28)。
文檔編號(hào)H02J3/26GK1185242SQ96194040
公開日1998年6月17日 申請(qǐng)日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月28日
發(fā)明者馬丁·倫德馬克, 詹納洛夫·哈格爾勃格 申請(qǐng)人:馬丁·倫德馬克, 詹納洛夫·哈格爾勃格