三框分体式三倍频变压器的制作方法

1.本技术涉及变压器技术领域，特别是涉及一种三框分体式三倍频变压器。


背景技术：

2.三倍频变压器是利用铁磁材料的非线性及饱和特性以及绕组的特殊连接，从而使变压器产生丰富的三次谐波，利用三次谐波形成三倍频电压。铁磁性三倍频变压器在变压器与电压互感器等设备的试验、分频输电系统中得到了广泛应用。
3.现有技术中为了实现三倍频变压器，大多采用三个磁路长度相等的单相变压器组成，一次绕组为星形联结，二次绕组为开口三角形联结，铁芯在高度饱和状态下运行存在励磁电流大且效率低等问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有三倍频变压器励磁电流大且效率低的问题，提供一种三框分体式三倍频变压器。
5.一种三框分体式三倍频变压器，包括：铁芯与绕组；所述铁芯包括第一分框铁芯、第二分框铁芯与第三分框铁芯；所述绕组包括六个一次绕组与六个二次绕组，所述一次绕组与所述二次绕组两两为一组分别同芯缠绕于所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯相对的立柱上，六个所述一次绕组相连后连接至三相端，所述六个二次绕组相连后连接至单相端，所述单相端的电压的频率是所述三相端的电压的频率的三倍。
6.在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯均为面积相等的矩形分框铁芯。
7.在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯为卷铁芯或叠铁芯。
8.在其中一个实施例中，所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯设置于同一个油箱内或分别设置于三个独立的油箱内。
9.在其中一个实施例中，六个所述二次绕组设置于六个所述一次绕组的外侧。
10.在其中一个实施例中，六个所述一次绕组异相反极性两两串联成三组后，采用y连接、d连接或yn连接方式相连。
11.在其中一个实施例中，六个所述一次绕组在所述铁芯上的缠绕方向相同。
12.在其中一个实施例中，六个所述二次绕组同极性两两并联后，采用开口三角形连接方式相连。
13.在其中一个实施例中，六个所述二次绕组在所述铁芯上的缠绕方向相同。
14.在其中一个实施例中，还包括六个调压绕组，六个所述调压绕组分别连接六个所述二次绕组，六个所述调压绕组还同样同芯缠绕在所述第一分框铁芯、所述第二分框铁芯与所述第三分框铁芯的左右立柱上。
15.上述三框分体式三倍频变压器，铁芯包括三个分框铁芯，六个一次绕组与六个二
次绕组两两为一组分别同芯缠绕于三个分框铁芯相对的立柱上，六个一次绕组相连后连接至三相端，六个二次绕组相连后连接至单相端，无需限定一次绕组的联结方式，避免各分框铁芯工作在高度饱和状态，实现了二次绕组的三倍频电压输出，且励磁电流小、效率更高。
附图说明
16.图1为一实施例中三框分体式三倍频变压器的结构图；
17.图2为一实施例中六个一次绕组的接线图；
18.图3为另一实施例中六个一次绕组的接线图；
19.图4为另一实施例中六个一次绕组的接线图；
20.图5为一实施例中六个二次绕组的接线图。
具体实施方式
21.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
22.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
23.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
24.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
25.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
26.在一个实施例中，如图1所示，提供一种三框分体式三倍频变压器，应用于变压器与电压互感器等设备的试验以及分频输电系统等场景，包括：铁芯与绕组；铁芯包括第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13；绕组包括六个一次绕组(21、22、23、24、25、26)与六个二次绕组(31、32、33、 34、35、36)，一次绕组与二次绕组两两为一组分别同芯缠绕于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13相对的立柱上，六个一次绕组(21、22、 23、24、25、26)相连后连接至三相端，六个二次绕组(31、32、33、34、35、 36)相连后连接至单相端，单相端的电压频率是三相端的电压频率的三倍。
27.具体地，铁芯包括第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯为由上下横轭以及左右立柱围成的三个四边形的分框铁芯。其中，各分框铁芯的尺寸需保持一致，包括横轭的宽度与横截面积均相同，立柱的长度与横截面积也相同，可选地，各分框铁芯的横轭的宽度可以与各分框铁芯的立柱的
长度相等，各分框铁芯的横轭的宽度也可以小于各分框铁芯的立柱的长度，各分框铁芯的横轭的宽度还可以大于各分框铁芯的立柱的长度，不以此为限定。
28.进一步地，绕组包括连接三相电网端的六个一次绕组，以及连接单相端的六个二次绕组，其中，六个一次绕组连接的三相端既可以作为电源输入端，也可以作为电源输出端，对应地，六个二次绕组连接的单相端也既可以作为电源输入端，也可以作为电源输出端。可以理解，在六个一次绕组与六个二次绕组匝数比固定的情况下，本技术的三倍频变压器可以作为降压变压器使用，也可以作为升压变压器使用。具体地，六个一次绕组包括缠绕在第一分框铁芯上的一次绕组21与一次绕组22、缠绕在第二分框铁芯上的一次绕组23与一次绕组 24以及缠绕在第三分框铁芯上的一次绕组25与一次绕组26，六个二次绕组包括缠绕在第一分框铁芯上的二次绕组31与二次绕组32、缠绕在第二分框铁芯上的二次绕组33与二次绕组34以及缠绕在第三分框铁芯上的二次绕组35与二次绕组36。
29.其中，一次绕组21缠绕在第一分框铁芯的左立柱上，一次绕组22缠绕在第一分框铁芯的右立柱上，一次绕组23缠绕在第二分框铁芯的左立柱上，一次绕组24缠绕在第二分框铁芯的右立柱上，一次绕组25缠绕在第三分框铁芯的左立柱上，一次绕组26缠绕在第三分框铁芯的右立柱上。另外，各一次绕组缠绕在分框铁芯上的匝数相同，且采用的材料也相同。可选地，材料可选用铜箔，也可采用电磁线等，不做此限定。
30.另外，各二次绕组与一次绕组同芯缠绕于同一分框铁芯的立柱上，可选地，可以是二次绕组重叠缠绕于一次绕组的外侧，也可以是一次绕组重叠缠绕在二次绕组的外侧，还可以是一次绕组与二次绕组不重叠的上下同芯缠绕于同一分框铁芯的立柱上。可选地，在另外的实施例中，还可采用绝缘纸、绝缘油或环氧树脂实现一次绕组与此绕组之间的电气隔离。以下以二次绕组同芯缠绕在一次绕组的外侧为例进行解释说明，二次绕组31同芯缠绕在第一分框铁芯的左立柱上一次绕组21的外侧，二次绕组32同芯缠绕在第一分框铁芯的右立柱上一次绕组22的外侧，二次绕组33同芯缠绕在第二分框铁芯的左立柱上一次绕组 23的外侧，二次绕组34同芯缠绕在第二分框铁芯的右立柱上一次绕组24的外侧，二次绕组35同芯缠绕在第三分框铁芯的左立柱上一次绕组25的外侧，二次绕组36同芯缠绕在第三分框铁芯的右立柱上一次绕组26的外侧。另外，各二次绕组缠绕在分框铁芯上的匝数相同，且采用的材料也相同。可选地，材料可选用铜箔，也可采用电磁线等，不做此限定。
31.以下以图1所示的三框分体式三倍频变压器结构图为例对其工作原理进行解释说明。假定一次绕组缠绕在各分框铁芯立柱上，二次绕组缠绕在一次绕组的外侧，假定缠绕在第一分框铁芯的立柱上的一次绕组21为hva1、一次绕组 22为hva2、二次绕组31为lva1、二次绕组32为lva2，缠绕在第二分框铁芯的立柱上的一次绕组23为hvb1、一次绕组24为hvb2、二次绕组33为lvb1、二次绕组34为lvb2，缠绕在第三分框铁芯的立柱上的一次绕组25为hvc1、一次绕组26为hvc2、二次绕组35为lvc1、二次绕组36为lvc2。将一次绕组hva1与一次绕组hva2产生的感应电压设为u
hva
，将一次绕组hvb1与一次绕组hvb2产生的感应电压设为u
hvb
，将一次绕组hvc1与一次绕组hvc2 产生的感应电压设为u
hvc
，同样，将二次绕组lva1与二次绕组lva2产生的感应电压设为u
lva
，将二次绕组lvb1与二次绕组lvb2产生的感应电压设为u
lvb
，将二次绕组lvc1与二次绕组lvc2产生的感应电压设为u
lvc
。
32.假定一次绕组为yn连接方式，则一次绕组的首端对地的电压u
sa
、u
sb
以及u
sc
分别为：
[0033][0034]
根据式(1)除以其一次绕组的匝数n1，等式依然存在，则：
[0035][0036]
其中，u
hva
/n1、u
hvb
/n1、u
hvc
/n1分别为三个分框铁芯内通过的磁通的感应电压。在线性系统中，u
hva
/n1、u
hvb
/n1、u
hvc
/n1均仅含有三相基波分量，但各分框铁芯采用的铁磁材料具有的非线性的特点，u
hva
/n1、u
hvb
/n1、u
hvc
/n1同时也包含 3、9、15
…
等零序性奇次谐波分量，且主要以三次谐波分量为主，其他高次谐波可忽略不计。假设穿过各分框铁芯的磁通φa(t)、φb(t)和φc(t)分别为：
[0037]
φa(t)＝φmsin(ωt) kφmsin(3ωt θ)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0038][0039][0040]
其中，φm为穿过各分框铁芯的磁通φa(t)、φb(t)和φc(t)中基波磁通的幅值，ω为角频率，θ为初相角；另外，k为穿过各分框铁芯的磁通φa(t)、φb(t)和φc(t) 中3次谐波的含有率。
[0041]
然后，由于二次绕组采用开口三角形连接方式，连接六个二次绕组的单相电源端输出的感应电压u2等于穿过六个二次绕组的磁链和的导数，即根据式(3)、式(4)和式(5)可得：
[0042][0043]
式中，n2为六个二次绕组的匝数。
[0044]
然后，由于各分框铁芯中三相的基波可以互相抵消，可得：
[0045]
u2＝3kφmn2dsin(3ωt θ)/dt
ꢀꢀꢀ
(7)
[0046]
对式(7)求导可得：
[0047]
u2＝9kφmn2cos(3ωt θ)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0048]
由式(8)可知，六个二次绕组的两端的感应电压u2的频率为一次绕组两端的电压的频率的三倍，实现了三倍频变压器。
[0049]
上述三框分体式三倍频变压器，铁芯包括三个分框铁芯，六个一次绕组与六个二次绕组两两为一组分别同芯缠绕于三个分框铁芯相对的立柱上，六个一次绕组相连后连接至三相端，六个二次绕组相连后连接至单相端，无需限定一次绕组的联结方式，避免各分框
铁芯工作在高度饱和状态，实现了二次绕组的三倍频电压输出，且励磁电流小、效率更高。
[0050]
在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13均为面积相等的矩形分框铁芯。
[0051]
具体地，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12以及第三分框铁芯13的横轭的宽度均大于其立柱的长度，且第一分框铁芯11、第二分框铁芯12以及第三分框铁芯13的横轭与其立柱之间的夹角均为直角，即第一分框铁芯11、第二分框铁芯12以及第三分框铁芯13均为矩形分框铁芯。
[0052]
进一步地，由于第一分框铁芯11、第二分框铁芯12以及第三分框铁芯13 的上下横轭的宽度均相等，且第一分框铁芯11、第二分框铁芯12以及第三分框铁芯13的左右立柱的长度也均相等，所以第一分框铁芯11、第二分框铁芯12 以及第三分框铁芯13的上下横轭及左右立柱分别围成的面积均相等。
[0053]
在本实施例中，各分框铁芯在工作时能不持续工作在高饱和状态，提高了三倍频变压器的效率。
[0054]
在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13为卷铁芯或叠铁芯。
[0055]
具体地，各分框铁芯可以是由铁芯卷绕机将铁芯带材卷制后，经过退火处理而成，也可以是由多个铁芯片叠积，再通过夹紧装置使各铁芯片无缝严合而成。其中，铁芯带材及铁芯片可选择不同的材料，可以是铁氧体、非晶合金、超薄硅钢或纳米晶等磁性材料。在本实施例中，由非线性铁磁材料制成的分框铁芯，可以让分框间产生丰富的零序谐波磁通。
[0056]
在一个实施例中，如图1所示，第一分框铁芯11、第二分框铁芯12与第三分框铁芯13设置于同一个油箱内或分别设置于三个独立的油箱内。具体地，由于三个分框铁芯仅绕组间通过接线连接，在保存于绝缘油内实现冷却与绝缘时，可以选择设置于同一个油箱内，节约空间，也可以选择分别设置于三个独立的油箱内，减小了单相产品的体积。
[0057]
在一个实施例中，如图1所示，六个二次绕组(31、32、33、34、35、36) 设置于六个一次绕组(21、22、23、24、25、26)的外侧。
[0058]
具体地，各二次绕组与一次绕组同芯缠绕于同一分框铁芯的立柱上，二次绕组设置于一次绕组的外侧，二次绕组31同芯缠绕在第一分框铁芯的左立柱上一次绕组21的外侧，二次绕组32同芯缠绕在第一分框铁芯的右立柱上一次绕组22的外侧，二次绕组33同芯缠绕在第二分框铁芯的左立柱上一次绕组23的外侧，二次绕组34同芯缠绕在第二分框铁芯的右立柱上一次绕组24的外侧，二次绕组35同芯缠绕在第三分框铁芯的左立柱上一次绕组25的外侧，二次绕组36同芯缠绕在第三分框铁芯的右立柱上一次绕组26的外侧。
[0059]
在本实施例中，将二次绕组同芯设置于一次绕组的外侧，增大了一二次绕组之间的耦合系数，有效降低了变压器一二次绕组之间的漏抗，提高了变压器的效率。
[0060]
在一个实施例中，如图2、图3以及图4所示，六个一次绕组异相反极性两两串联成三组后，采用y连接、d连接或yn连接方式相连。
[0061]
具体地，六个一次绕组包括缠绕在第一分框铁芯的左右立柱上的一次绕组 hva1、一次绕组hva2，缠绕在第二分框铁芯的左右立柱上的一次绕组hvb1、一次绕组hvb2，缠绕在第三分框铁芯的左右立柱上的一次绕组hvc1、一次绕组hvc2。六个一次绕组两两异相反极性串联成三组后，连接至三相电网端的方式并不唯一，可采用y连接，也可以采用d连接，还
可以采用yn连接。
[0062]
其中，以将相邻分框铁芯的两个一次绕组异相反极性串联为例进行解释说明，一次绕组hva1的尾端与一次绕组hvb1的尾端串联成一组，一次绕组hvc1 的尾端与一次绕组hva2的尾端串联成一组，一次绕组hvb2的尾端与一次绕组hvc2的尾端串联成一组。
[0063]
进一步地，如图2所示为采用y型连接形式将三组串联的一次绕组连接至三相电网端，一次绕组hva1的首端、一次绕组hvc1的首端与一次绕组hvb2 的首端连接三相电源的三个端子，一次绕组hvb1的首端、一次绕组hva2的首端与一次绕组hvc2的首端连接于同一点。如图3所示为采用yn型连接形式将三组串联的一次绕组连接至三相电网端，一次绕组hva1的首端、一次绕组hvc1的首端与一次绕组hvb2的首端连接三相电网的三个端子，一次绕组 hvb1的首端、一次绕组hva2的首端与一次绕组hvc2的首端连接于同一点后，还通过该点接地。如图4所示为采用d型连接形式将三组串联的一次绕组连接至三相电网端，一次绕组hva1的首端、一次绕组hvc1的首端与一次绕组hvb2的首端连接三相电网的三个端子，一次绕组hvb1的首端连接一次绕组hvb2的首端，一次绕组hva2的首端连接一次绕组hva1的首端，一次绕组hvc2的首端连接一次绕组hvc1的首端。
[0064]
在本实施例中，解决了现有铁磁性三倍频变压器一次绕组连接形式单一的问题。
[0065]
在一个实施例中，如图2、图3与图4所示，六个一次绕组在铁芯上的缠绕方向相同。
[0066]
具体地，在通电时，绕组线圈电动势相量之间具有相位差，以此在铁芯上产生磁通。因此，六个一次绕组采用同样的缠绕方向缠绕于分框铁芯上，且其首端如图2、图3以及图4中圆点标注的，尾端即无圆点标注的一端，三相电均从六个一个绕组的首端输入，即六个一次绕组的首端均为电动势为正的端点，即同名端。
[0067]
在本实施例中，通过同样的缠绕方向以及同名端的设置，以及三相电源相位相差120
°
，则可使得各分框铁芯中的三相基波得以抵消。
[0068]
在一个实施例中，如图5所示，六个二次绕组同极性两两并联后，采用开口三角形连接方式相连。
[0069]
具体地，六个二次绕组包括缠绕在第一分框铁芯的左右立柱上的二次绕组 lva1、二次绕组lva2，缠绕在第二分框铁芯的左右立柱上的二次绕组lvb1、二次绕组lvb2，缠绕在第三分框铁芯的左右立柱上的二次绕组lvc1、二次绕组lvc2。六个二次绕组两两同极性并联成三组后，采用开口三角形方式连接，连接至单相端。
[0070]
如图5所示，二次绕组lva1与二次绕组lva2同极性并联，二次绕组lvb1 与二次绕组lvb2同极性并联，二次绕组lvc1与二次绕组lvc2同极性并联，二次绕组lva1与二次绕组lva2相连的尾端连接二次绕组lvb1与二次绕组 lvb2相连的首端，二次绕组lvb1与二次绕组lvb2相连的尾端连接二次绕组 lvc1与二次绕组lvc2相连的首端，二次绕组lva1与二次绕组lva2相连的首端与二次绕组lvc1与二次绕组lvc2相连的尾端连接单相端。
[0071]
在一个实施例中，如图5所示，六个二次绕组在铁芯上的缠绕方向相同。具体地，六个二次绕组采用同样的缠绕方向缠绕于分框铁芯上，且如图5中圆点标注为各二次绕组的电动势为正的端点，即同名端。在本实施例中，通过同样的缠绕方向以及同名端的设置，以及三相电源相位相差120
°
，则可使得各分框铁芯中的三相基波得以抵消。
[0072]
在一个实施例中，上述三框分体式三倍频变压器还包括六个调压绕组，六个调压绕组分别连接六个二次绕组，六个调压绕组还同样同芯缠绕在第一分框铁芯、第二分框铁
芯与第三分框铁芯的左右立柱上。
[0073]
具体地，六个调压绕组分别对应与一个二次绕组串联连接，从而改变三倍频变压器二次侧绕组的匝数。其中，当调压绕组与二次绕组同极性同方向缠绕时，可起到增加二次侧绕组匝数的目的，而当调压绕组与二次绕组反向缠绕时，可起到减少二次侧绕组匝数的目的。
[0074]
进一步地，六个调压绕组同样缠绕在各分框铁芯的左右立柱上，可以设置在第一绕组与第二绕组的外侧，也可以设置在第一绕组与第二绕组中间，还可以设置在第一绕组与第二绕组的内侧，靠近铁芯，不以此为限定。
[0075]
在本实施例中，通过增加调压绕组使本技术三倍频变压器的分框铁芯中的磁通增加或减少，从而产生二次输出电压可调节的效果。
[0076]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0077]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。