本實(shí)用新型涉及一種三相輸入二相輸出的平衡變相變壓器。

背景技術(shù)：

在電氣領(lǐng)域的某些負(fù)載場(chǎng)合，如電氣鐵道，如淬火爐電源，工頻熔煉爐等使用場(chǎng)合，負(fù)載為二相，勢(shì)必需要二相供電。這二相供電最大的麻煩是造成三相電源的嚴(yán)重不平衡。由此，電源設(shè)備廠商，主要是變壓器制造供應(yīng)商已用上近百年時(shí)間，在變壓器鐵芯和線圈上花了不少功夫，也已經(jīng)拿出了較有名的10～20種方案：如斯考特、拉普拉斯，BLT-1，BLT-2，AWB，Le Blanc MWB Kubler等，見參考文獻(xiàn)【1】、【2】，但始終難以達(dá)到輸入側(cè)三相電源理想的平衡效果。由參考文獻(xiàn)【3】的圖9曲線1可知：Scott變壓器僅60％以上負(fù)載時(shí)，才能使不對(duì)稱度小于20％，如低于60％，則不對(duì)稱度大于20％，當(dāng)小于20％負(fù)載時(shí)，不對(duì)稱度大于70％。能否找到一個(gè)電磁結(jié)構(gòu)方案，直接讓三相電進(jìn)入該結(jié)構(gòu)，然后變換成次級(jí)二相電源，在結(jié)構(gòu)原理上保障了它變換成二相，又可變換它的電壓等級(jí)，且是一個(gè)平衡對(duì)稱的輸入電流。這一直是世界上電氣強(qiáng)電領(lǐng)域尚待研制開發(fā)，不少變壓器工程技術(shù)人員包括著名大學(xué)電氣教授孜孜不倦努力探求的產(chǎn)品方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種三相輸入二相輸出的平衡變相變 壓器，將強(qiáng)電電力領(lǐng)域的用三相電源作為初級(jí)輸入，通過(guò)該變相變壓器變換成次級(jí)為二相電壓輸出，實(shí)現(xiàn)既變相數(shù)又變電壓值的目的。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為：一種三相輸入二相輸出的平衡變相變壓器，包括三相初級(jí)繞組和二相次級(jí)繞組，其特征在于所述三相初級(jí)繞組設(shè)置在電機(jī)定子鐵芯或轉(zhuǎn)子鐵芯上，所述二相次級(jí)繞組設(shè)置在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯或定子鐵芯上，所述三相初級(jí)繞組的三相繞組沿電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子的360°電氣角圓周方向均勻布局，相鄰兩相繞組之間相差120°電氣角，所述二相次級(jí)繞組按90°電氣角正交布局于電機(jī)轉(zhuǎn)子或定子上，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有制動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與二相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的能量傳遞，在初次級(jí)隔離狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)相數(shù)和電壓變換。

根據(jù)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)要求，所述三相初級(jí)繞組置于轉(zhuǎn)子鐵芯，二相次級(jí)繞組置于定子鐵芯。

為防止負(fù)載狀態(tài)下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)要求，所述轉(zhuǎn)子應(yīng)設(shè)置有制動(dòng)機(jī)構(gòu)，以克服轉(zhuǎn)子扭矩。

本實(shí)用新型公開了一種既能從三相變換成二相，又能從高壓變換成低壓，且上述兩項(xiàng)均能逆向變換并且初次級(jí)雙方隔離的變相變壓器。該變相變壓器從結(jié)構(gòu)上完全脫離了原來(lái)一般變壓器的立柱鐵芯，圓筒線圈和脈動(dòng)感應(yīng)磁場(chǎng)，而是采用電機(jī)的電磁構(gòu)架，定轉(zhuǎn)子鐵芯繞組和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其主要特征是采用三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與二相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的能量傳遞，并在初次級(jí)隔離狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)相數(shù)和電壓等級(jí)的變換。這種變換全在電機(jī)型圓形磁路內(nèi)完成，它除了確保三相平衡對(duì)稱外，此變換全在無(wú)觸點(diǎn)狀態(tài)下進(jìn)行，它摒棄了參考文獻(xiàn)中多種三相變二相時(shí)， 應(yīng)用各種變壓器星形三角形抽頭和繁復(fù)的接法，也不存在用電力電子變換時(shí)的波形畸變和對(duì)電網(wǎng)造成的各種污染與干擾。該變相變壓器將為電氣鐵道、淬火鹽浴爐、工頻感應(yīng)爐等二相負(fù)載提供一個(gè)對(duì)三相電源能達(dá)到平衡對(duì)稱供電的綠色環(huán)保型三相變二相的變壓電源設(shè)備。它接上均等的二相負(fù)載，不論負(fù)載率大小，在0～100％范圍，在三相輸入側(cè)均能達(dá)到近似100％的對(duì)稱。

附圖說(shuō)明

圖1為三相輸入二相輸出的變相變壓器接線示意圖。

圖中：

W_1e表示初級(jí)側(cè)三相繞組的每相有效匝數(shù)，其中粗實(shí)線表示星形接線，細(xì)實(shí)線表示三角形接線，三相繞組互成120°空間布局；

A、B、C分別表示初級(jí)側(cè)三個(gè)輸入接線端；

W_2e表示次級(jí)側(cè)二相繞組的每相有效匝數(shù)；

a、b分別表示次級(jí)側(cè)二個(gè)輸出接線端，N為公用端；

初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的兩根粗直線表示輸入與輸出二側(cè)間磁場(chǎng)耦合的定轉(zhuǎn)子鐵芯；

I_A、I_B、I_C表示初級(jí)側(cè)三相電流；

I_aN、I_bN表示次級(jí)每相額定電流。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說(shuō)明。

一種三相輸入二相輸出的平衡變相變壓器，包括三相初級(jí)繞組和二相次級(jí)繞組，其特征在于所述三相初級(jí)繞組設(shè)置在電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子 鐵芯上，所述二級(jí)次級(jí)繞組設(shè)置在電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯或定子鐵芯上，所述三相初級(jí)繞組的三相繞組沿電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子的360°電氣角圓周方向均勻布局，相鄰兩相繞組之間相差120°電氣角，所述二相次級(jí)繞組按90°電氣角正交布局于電機(jī)轉(zhuǎn)子或定子上。

該產(chǎn)品實(shí)施時(shí)，一般初級(jí)三相繞組置于轉(zhuǎn)子鐵芯，用以輸入高壓，這樣三根進(jìn)線相對(duì)較細(xì)，便于安裝，而次級(jí)二相繞組一般置于定子，用于輸出低壓，即使電流大，也可固定引出。既然該產(chǎn)品存在定子轉(zhuǎn)子，并分別嵌入不同的繞組，該定子和轉(zhuǎn)子之間必有氣隙，所以與原來(lái)立柱閉合鐵芯的變壓器有明顯的區(qū)別。變相變壓器的加工過(guò)程更接近于電機(jī)的工藝，由于存在氣隙，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)采用電機(jī)硅鋼片，它的空載電流和空載損耗必然高于原來(lái)一般的變壓器，再則絕緣等級(jí)也類同電機(jī)，目前一般能達(dá)10KV。

具體設(shè)計(jì)時(shí)，定轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組要保障空載電流、空載損耗符合用戶的要求，又要使負(fù)載狀態(tài)的電流密度、負(fù)載損耗不致造成繞組過(guò)熱超出溫升允許范圍。在設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)應(yīng)用電機(jī)及變壓器部分成熟技術(shù)，并使二者有機(jī)結(jié)合，方便做出較優(yōu)選的方案。作為次級(jí)二相輸出，在圖中共用端N承載電流是二相相量的合成，按相電流的倍來(lái)選用它的導(dǎo)線截面。

雖然存在定轉(zhuǎn)子，但不允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，所以結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子必須克服電機(jī)扭矩，穩(wěn)穩(wěn)地將轉(zhuǎn)子鎖住不轉(zhuǎn)，這是結(jié)構(gòu)涉及中必須采用的機(jī)械制動(dòng)措施。

目前變相變壓器的冷卻方式有三種：空氣自冷，強(qiáng)迫風(fēng)冷、油浸 自冷，絕大多數(shù)采用油浸自冷。它有利于提高絕緣耐壓能力并降低電磁噪聲。

由于定轉(zhuǎn)子間存在氣隙，該變相變壓器的結(jié)構(gòu)不如原閉合鐵芯變壓器的結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)緊密，因此電磁噪聲也近似電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。

對(duì)于三相繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，除了三相星形接線，具體實(shí)施中也可接成三角形接線方式，如圖中細(xì)實(shí)線所示。

本實(shí)用新型跳出了原來(lái)變壓器立柱式或框殼式的鐵芯結(jié)構(gòu)，直接采用電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯結(jié)構(gòu)；它不用變壓器各種外形為圓筒式的線圈，而采用了鏈?zhǔn)交蛲幕蛲苁降入姍C(jī)型繞組式線圈；在傳遞能量的方式上，不用原變壓器慣用的脈動(dòng)磁場(chǎng)，而采用了感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由電機(jī)原理可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可來(lái)自互成120°電氣角的三相對(duì)稱電源，也可來(lái)自互成90°電氣角的二相平衡電源。抓住這一本質(zhì)現(xiàn)象，通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就能使三相與二相電源在定轉(zhuǎn)子鐵芯中，直接通過(guò)磁勢(shì)反磁勢(shì)間進(jìn)行溝通，它的本質(zhì)即是實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞，這就是本發(fā)明的基本思路。

本變相變壓器初級(jí)為三相，由三相繞組按空間120°均勻布置于轉(zhuǎn)子或定子上。當(dāng)通入三相初級(jí)繞組相互時(shí)間相位差120°電氣角正弦波電源時(shí)，即可在鐵芯中產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以電機(jī)同步轉(zhuǎn)速(對(duì)50Hz電源，二極為3000轉(zhuǎn)/分，四極為1500轉(zhuǎn)/分)在鐵芯中旋轉(zhuǎn)掃描。變相變壓器的次級(jí)為二相次級(jí)繞組，按空間90°布置于定子或轉(zhuǎn)子。此二相繞組被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)掃描而感應(yīng)出相應(yīng)的次級(jí)電壓。這次級(jí)二相電壓的時(shí)間相位差(因空間位差90°)為90°。將二相次級(jí) 繞組端子引出，即可得到相位差為90°電氣角的二相輸出電壓。此輸出電壓值仍由初次級(jí)繞組雙方的有效匝數(shù)之比來(lái)確定，這使它同時(shí)具有變換電壓等級(jí)的功能。當(dāng)二相次級(jí)繞組接上大小相等的負(fù)載電流時(shí)，次級(jí)繞組必會(huì)形成旋轉(zhuǎn)反磁勢(shì)，促成初級(jí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁勢(shì)反應(yīng)。在三相初級(jí)繞組中形成平衡對(duì)稱的三相磁勢(shì)反應(yīng)電流。由于三相主磁通旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與二相反磁勢(shì)均來(lái)自自身繞組的均衡作用，這就從根本原理上保障了初級(jí)平衡對(duì)稱的三相磁勢(shì)反應(yīng)電流。三相旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)與二相旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的相互作用達(dá)到的能量傳遞、相數(shù)變化和電壓值大小變換的效果。只要次級(jí)二相負(fù)載電流相等，初級(jí)三相電流也就相等，平衡對(duì)稱。

上述電磁結(jié)構(gòu)還具有可逆性：此變壓器既能三相高壓進(jìn)，二相低壓出，也能二相低壓進(jìn)，三相高壓出。三相二相間可順變，也可以逆變；高壓低壓間同樣可順變，也可逆變。中間媒介是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及主次繞組間的有效匝比，它們起到了相數(shù)及電壓量值之間的變換作用。

變相變壓器當(dāng)次級(jí)帶上二相大小一致的額定負(fù)載電流I_2N時(shí)，作為初級(jí)的磁勢(shì)反應(yīng)，必須遵守初次級(jí)二側(cè)能量守恒，即二側(cè)的視在功率恒等的定律如式(1)所示：

S₁＝S₂

式(1)中：

S₁表示一次側(cè)視在功率；

S₂表示二次側(cè)視在功率；

U_AB＝U_BC＝U_CA分別表示初級(jí)側(cè)三相線電壓；

U_1Φ＝U_A＝U_B＝U_C分別表示初級(jí)側(cè)三相相電壓；

U₂₀＝U_aN0＝U_bN0分別表示次級(jí)二相相電壓；

I_2N＝I_aN＝I_bN分別表示次級(jí)每相額定電流；

I_1K＝I_AK＝I_BK＝I_CK分別表示初級(jí)每相磁勢(shì)反應(yīng)電流。

由式(1)，當(dāng)已知U_AB，U₂₀，I_2N時(shí)可求得I_1K，如式(2)所示：

式(2)中：

W_1e表示初級(jí)側(cè)三相繞組的每相有效匝數(shù)；

W_2e表示次級(jí)側(cè)二相繞組的每相有效匝數(shù)；

K₂₁表示次級(jí)對(duì)初級(jí)的相間匝比。

實(shí)際一次每相額定電流尚需用矢量加法，將初級(jí)每相短路電流，即初級(jí)每相磁勢(shì)反應(yīng)電流I_1K與空載電流I₀合成，這些可直接應(yīng)用現(xiàn)有的電機(jī)及變壓器成熟的公式，在此概不贅述。

參考文獻(xiàn)

【1】A.C.Franklin，D.P.Franklin編，崔立君譯“變壓器全書”P165～P198，機(jī)械工業(yè)出版社，1990年7月北京第一版。

【2】張伯齡“平衡變壓器理論分析與設(shè)計(jì)”，《變壓器》，1992年第11期P2～P9。

【3】郭滿生“電氣化鐵道牽引變壓器的特點(diǎn)和高速客運(yùn)專線牽引變壓器選型分析”，《變壓器》，2012年第10期P24～P29。