專利名稱：變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于諧振變換器的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，屬于變壓器或電能變換領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
諧振變換器具有高效率、高功率密度以及良好的EMI特性，在功率變換場合得到了廣泛的應(yīng)用。通過引入諧振網(wǎng)絡(luò)，來得到部分諧振或是完全諧振的電壓或電流，實現(xiàn)諧振變換器的軟開關(guān)，獲得高效率及高功率密度的特性。諧振補(bǔ)償電容作為諧振網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，能夠補(bǔ)償變壓器的感抗及線路中的感抗，來獲得所需的諧振波形和輸出特性。尤其在非接觸供電場合，非接觸變壓器存在大漏感、小激磁電感的特點，通過加入諧振補(bǔ)償電容來補(bǔ)償漏感及激磁電感，能夠保證足夠的電壓增益、使得能量可以傳輸?shù)椒墙佑|變壓器副邊側(cè)，并減小非接觸變壓器原邊的無功損耗，提高變換效率。串聯(lián)補(bǔ)償電容是補(bǔ)償變壓器感抗的常用方法。當(dāng)變壓器待補(bǔ)償?shù)母锌馆^大，負(fù)載較重時，串聯(lián)補(bǔ)償電容的電流會增大，引起補(bǔ)償電容的電壓應(yīng)力顯著增加，使得補(bǔ)償電容成為影響變換器可靠性的重要因素之一。為了解決該問題，常用的方法是將單個補(bǔ)償電容替代為多個補(bǔ)償電容的串并聯(lián)組合，從而降低單個電容的電壓及電流應(yīng)力。采用這種方法對改善補(bǔ)償電容自身的電壓及電流應(yīng)力十分有效，但無法解決重載時由補(bǔ)償電容所引起的變壓器繞組端電壓較高的問題。變壓器繞組的端電壓為輸入電壓與補(bǔ)償電容電壓疊加而成，補(bǔ)償電容電壓過高相應(yīng)導(dǎo)致變壓器繞組端電壓過高，引起絕緣困難和高壓導(dǎo)致的無功損耗。羅青林，鐘俊濤.降低局部概率的特高壓變壓器絕緣設(shè)計[J].變壓器，2011，48(11):16-18中指出變壓器存在高壓時，可能引起局部放電現(xiàn)象，影響變壓器的正常運行。趙修科.磁性元器件分冊[M].第一版，沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2002,98-100則闡述了通過改變線圈繞制方式及恰當(dāng)?shù)钠帘未胧﹣頊p小線圈間電容以及分布電容，以減小變壓器的無功損耗。無論是單個補(bǔ)償電容還是采用多個補(bǔ)償電容的串并聯(lián)組合，都是利用串聯(lián)補(bǔ)償電容的電壓對變壓器待補(bǔ)償感抗的壓降進(jìn)行集中補(bǔ)償，我們稱其為集中式補(bǔ)償方法。顯然，只要是集中式補(bǔ)償方法，變壓器繞組與補(bǔ)償電容或補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)的電路連接關(guān)系就不變，變壓器繞組的端電壓與輸入電壓及補(bǔ)償電容電壓或補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)電壓的數(shù)量關(guān)系也不發(fā)生改變，則重載時變壓器繞組端電壓過高的問題就不能得到解決。如何找到合理的補(bǔ)償方法，在補(bǔ)償變壓器感抗及線路感抗的同時，既能降低單個補(bǔ)償電容的電壓及電流應(yīng)力，又能降低變壓器繞組的電壓應(yīng)力，成為本發(fā)明的設(shè)計重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有諧振變換器采用的集中式補(bǔ)償方法無法解決變壓器繞組電壓應(yīng)力過高的缺點，提出一種新型的變壓器補(bǔ)償方法。本發(fā)明的目的是通過以下方案實施的:
一種變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組由若干繞組段串聯(lián)組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補(bǔ)償電容；上述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路能夠改變變壓器各繞組段兩端的電位，從而減小變壓器繞組的電壓應(yīng)力，解決高壓所帶來的絕緣以及無功損耗問題。所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:所述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組的繞組段匝數(shù)相等或不相等，相等時有利于補(bǔ)償電路的設(shè)計。所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:所述補(bǔ)償電容為單一電容或多個電容串并聯(lián)組合而成。所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:上述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組的始端或/和末端還串有補(bǔ)償電容。本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有如下優(yōu)點:現(xiàn)有諧振變換器中變壓器的感抗補(bǔ)償多采用串聯(lián)補(bǔ)償電容的集中式補(bǔ)償方法，負(fù)載較重或是電路中感抗較大時，變壓器繞組的電壓應(yīng)力較高，給變壓器的絕緣以及變換器的安全工作帶來了隱患。本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，通過將變壓器繞組分開為多段，將補(bǔ)償電容分段插入并與變壓器繞組串聯(lián)連接，對變壓器的感抗進(jìn)行分段補(bǔ)償。所提出的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路利用所插入的補(bǔ)償電容電壓與變壓器各段繞組段電壓存在相位差的特點，通過分段串聯(lián)補(bǔ)償電容，改變變壓器各分段繞組段兩端的電位，從而減小變壓器繞組的電壓應(yīng)力。分段串入的補(bǔ)償電容既能在補(bǔ)償變壓器感抗及線路感抗的同時，改變變壓器內(nèi)部的電場分布，降低變壓器繞組的電壓應(yīng)力，降低變壓器繞組的絕緣要求，同時減小變壓器因高壓電場存在導(dǎo)致的無源損耗，使得變壓器及變換器的工作更為安全?？蓱?yīng)用于各類諧振變換器中，包括非接觸諧振變換器中非接觸變壓器的補(bǔ)償，補(bǔ)償非接觸變壓器的漏感和激磁電感。


附圖1為僅變壓器原邊繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的示意圖；附圖2為僅變壓器副邊繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的示意圖；附圖3為變壓器原、副邊繞組同時采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的示意圖；附圖4是變壓器串聯(lián)補(bǔ)償電容的集中補(bǔ)償方法示意圖；附圖5是采用串聯(lián)電容集中補(bǔ)償方法的變壓器電壓、電流向量圖附圖6是采用串聯(lián)電容集中補(bǔ)償方法的變壓器繞組內(nèi)部的電壓變化圖；附圖7是本發(fā)明的采用分段補(bǔ)償方法的變壓器單段繞組段的電壓、電流向量圖；附圖8是本發(fā)明的采用分段補(bǔ)償方法的變壓器繞組內(nèi)部的電壓變化圖；附圖9是本發(fā)明的按不同匝數(shù)分段下的變壓器繞組的電壓、電流向量附圖10是采用集中補(bǔ)償方法的仿真電路圖；附圖11是本發(fā)明的采用變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的仿真電路圖；附圖12是采用集中補(bǔ)償方法的仿真波形；附圖13是本發(fā)明的采用變壓器分段補(bǔ)償方法的仿真波形；附圖14是應(yīng)用實例的采用集中補(bǔ)償方式的全橋逆變、串/并補(bǔ)償?shù)姆墙佑|諧振變換器電路圖；附圖15是應(yīng)用實例的原邊繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的全橋逆變、串/并補(bǔ)償?shù)姆墙佑|諧振變換器電路圖。附圖16是應(yīng)用實例的非接觸變換器一集中補(bǔ)償方法下的實驗波形；附圖17是應(yīng)用實例的非接觸變換器一分段補(bǔ)償方法下的實驗波形。圖1 17中的主要符號名稱屯一輸入直流電壓；uin—輸入交流電壓；ip—變壓器原邊電流；is—變壓器副邊電流；Lpi (i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段自感；Cpi(i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段對應(yīng)的分段補(bǔ)償電容；Lsj (j=l，2，...!!!)一變壓器副邊各繞組段自感；(j=l，2，…m) —變壓器副邊各繞組段對應(yīng)的分段補(bǔ)償電容；LP—變壓器原邊自感；LS—變壓器副邊自感；CP—變壓器集中補(bǔ)償?shù)拇?lián)諧振電容；\、Bi+變壓器各繞組段兩端符號；A、B—變壓器總繞組的始端與末端的符號；Npi (i=l，2，…η) —變壓器原邊各繞組段匝數(shù)；Nd (j=l，2，…m) —變壓器副邊各繞組段匝數(shù)；NP—變壓器原邊繞組匝數(shù)；NS—變壓器副邊繞組匝數(shù)；M12—變壓器原邊兩段繞組的互感；k一變壓器原副邊繞組間的耦合系數(shù)A1 S4—功率管辦 D4+二極管；DK1 Dk4—整流二極管；Lf一副邊整流濾波電路中的濾波電感；Cf一副 邊整流濾波電路的濾波電容；&一負(fù)載；U。一輸出電壓；
具體實施例方式以上附圖非限制性公開了本發(fā)明的幾個具體實施實例，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述如下。參見附圖1，附圖1所示為變壓器原邊繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的實施示意圖。圖中Uin為交流輸入電壓，ip、is*別為變壓器原、副邊繞組電流。如附圖1所示，本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路先將變壓器原邊繞組分開為η段，所分各繞組段的匝數(shù)可以相等或者不相等，依次為Νρ1、Νρ2，…Npn。ApBi分別表示變壓器第i段繞組的兩端；A、B為變壓器總繞組的始端與末端的符號；再將補(bǔ)償電容Cpl、Cp2，…Cpn依次分段插入，并與變壓器各繞組段串聯(lián)連接。由于補(bǔ)償電容分段串入繞組中，與變壓器集成為一個整體，A或B點可以與A1或^公用節(jié)點，例如附圖1中的A點與A1A ;也可以放到分段補(bǔ)償電容的一只引腳，例如附圖1中的B點與Bn點。并非所有相鄰的繞組段間均需要串入補(bǔ)償電容，只要變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組中至少有一對相鄰的繞組段間串有補(bǔ)償電容即可實現(xiàn)變壓器繞組電壓應(yīng)力的降低，參見附圖2，附圖2中變壓器副邊僅有部分相鄰繞阻段間串有補(bǔ)償電容。此外，還可以在繞組的始端或/和末端串入補(bǔ)償電容，參見附圖1，變壓器原邊繞組末端還串有一個補(bǔ)償電容。實際應(yīng)用中可以單獨對變壓器原邊繞組或副邊繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，也可同時對變壓器的多個繞組采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，附圖3給出了變壓器原、副邊繞組同時采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路的示意圖。采用本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，可以在進(jìn)行感抗補(bǔ)償同時降低變壓器繞組的電壓應(yīng)力，下面結(jié)合附圖1和集中式補(bǔ)償電路，對本發(fā)明的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路進(jìn)行分析說明。參見附圖4，附圖4所示為變壓器串聯(lián)補(bǔ)償電容的集中補(bǔ)償方法示意圖。為了方便與附圖1進(jìn)行對比，在附圖4中的變壓器繞組中依次標(biāo)出附圖1所示的各繞組段的位置，繞組段節(jié)點的定義與附圖1相同。由于附圖4中各繞組段直接相連沒有分開，故相鄰兩段繞組段的始末端公用同一個節(jié)點。Np為變壓器原邊繞組的總匝數(shù)，Ns為變壓器副邊繞組的總匝數(shù)，Cp為變壓器原邊繞組串聯(lián)的集中式補(bǔ)償電容。首先分析分段補(bǔ)償方法對感抗的補(bǔ)償效果。利用串聯(lián)電容對感抗進(jìn)行補(bǔ)償就是利用容抗壓降來抵消感抗壓降。因此，要得到與集中式補(bǔ)償相同的補(bǔ)償效果，就要求補(bǔ)償電容的總電壓相同。根據(jù)附圖1和附圖4，分段補(bǔ)償方法中各補(bǔ)償電容電壓ua (i=l, 2,…η)總和應(yīng)滿足下面方程:
權(quán)利要求
1.一種變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于: 變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組由若干繞組段串聯(lián)組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補(bǔ)償電容；上述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:所述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組的繞組段匝數(shù)相等或不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:所述補(bǔ)償電容為單一電容或多個電容串并聯(lián)組合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，其特征在于:上述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組的始端或 /和末端還串有補(bǔ)償電容。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變壓器分段串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，屬于變壓器或電能變換領(lǐng)域。變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組由若干繞組段串聯(lián)組成，其中至少有一對相鄰的繞組段間還串有補(bǔ)償電容；上述變壓器待串聯(lián)補(bǔ)償繞組為變壓器原邊或/和變壓器副邊。本發(fā)明可應(yīng)用于各類諧振變換器中，包括用于非接觸諧振變換器中補(bǔ)償非接觸變壓器的漏感和激磁電感。
文檔編號H02M1/42GK103219881SQ20131011248
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月1日
發(fā)明者陳乾宏, 嚴(yán)開沁, 侯佳, 陳文仙, 劉航, 黃君濤 申請人:南京航空航天大學(xué)