一种十二脉波感应滤波变压器结构

1.本发明涉及一种十二脉波感应滤波变压器结构，属变压器技术领域，具体是一种将两台变压器并联构成的感应滤波变压器，适用于交直流整流系统。


背景技术：

2.电力电子器件在电网中的广泛应用不可避免地给电网系统带来谐波污染等问题。大功率变流设备的使用会带来大量的谐波，如不采取有效的措施，则会使导致电网电压电流严重失真，电能质量降低，损害配电、用电设备，引起安全事故。
3.传统的电力滤波可以有效地对谐波进行滤除，解决电能质量的问题，通常措施有在网侧使用无源滤波器，有源滤波器亦或混合滤波器。但是传统的电力滤波方案无法解决连接非线性负载和配电网之间的电能质量问题。在大功率直流供电系统中换流变压器二次交流侧的相电流很高，因此无法在二次侧安装滤波以及无功补偿装置。故滤波装置需放在换流变压器的网侧，这意味着换流器产生的谐波可以在变压器中自由流通，这会使变压器产生振动、升温以及噪声等带来额外的损耗，降低了变压器的寿命，增加成本。传统双机组十二脉波整流系统虽然可以解决网侧电流的电能质量问题，然而依旧是无法解决谐波电流会在变压器中流通的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种十二脉波感应滤波变压器结构，用来解决现有传统dy-dd型十二脉波滤波方案中谐波流经变压器会对变压器本体造成损耗的问题。
5.为了实现上述目的，本发明是以如下技术方案实现的：一种十二脉波感应滤波变压器结构，它包括两台变压器主体，还包括两台相同的六脉波整流器，所述的每台变压器主体电路包括三个绕组，从内到外分别是阀侧绕组、滤波绕组和网侧绕组；所述的两个变压器主体的网侧绕组并联连接电网电源，阀侧绕组分别连接一台六脉波整流器，所述的两个变压器的滤波绕组为星形连接并联后接调谐滤波器；当整流系统产生谐波电流时其中主要的5、7次谐波在并联滤波绕组中相抵消，11、13次谐波由调谐滤波器产生相反的电流将谐波电流而抵消，从而大大降低谐波对变压器本体的损害。
6.所述的一种新型十二脉波感应滤波变压器结构中变压器ⅰ中网侧绕组、滤波绕组、阀侧绕组接线方式为d，yn11，d0的接线方式，所述的变压器ⅱ中网侧绕组、滤波绕组、阀侧绕组接线方式为d，yn11，yn11的接线方式，变压器ⅰ和变压器ⅱ的网侧绕组均为三角形接法，阀侧绕组分别为三角形接法与星形接法分别接入两台相同的六脉波整流器后接负载，滤波绕组均为星形接法，并联后接调谐滤波器。
7.所述的滤波绕组为零阻抗设计，实现超导。滤波绕组零阻抗设计通过改变绕组的间距、轴向和辐向尺寸实现：
8.9.其中z
k12
、z
k13
、z'
k23
分别为网侧-阀侧、网侧-滤波侧、阀侧-滤波侧的短路阻抗。
10.采用了此结构由于磁势平衡原理与调谐滤波器相互作用，实现谐波抑制，补偿无功，减小变压器网侧容量。
11.本发明十二脉波感应滤波变压器结构具有以下特点：
12.(1)十二脉波系统的一次网侧接线均采用三角形接线法其能够对高次谐波起到抑制作用，同时由于三角形接法可以使3次谐波形成环流，因此可以屏蔽3次谐波使其不流入网侧。
13.(2)由于接法为星形的并联滤波绕组的投入，使得n＝6k
±
1,k＝1,3,5...次谐波在并联滤波绕组中相互抵消，而不是流入网侧后相互抵消，使得谐波对变压器本体的损害大大降低。
14.(3)由于并联滤波绕组后接11、13次调谐滤波器，因此11、13次谐波可以通过并联滤波绕组流经调谐滤波器而滤除。
15.(4)因为基频下的调谐支路为电容性，故它可以对该系统进行无功补偿，提高网侧功率因素。
16.本发明的有益效果是：并联的星形滤波绕组投入，通过调节绕组的结构和间距，然后与调谐滤波器连接便可实现谐波抑制和无功补偿，减小变压器的损耗，提高变压器使用寿命。
附图说明
17.图1是本发明中的新型十二脉波感应滤波变压器拓扑结构图；
18.图2是本发明中变压器主体各绕组布置图；
19.图3是本发明中的感应滤波变压器3d模型；
20.图4是本发明中的十二脉波感应滤波系统网侧电路图；
21.图5是本发明中的十二脉波感应滤波系统滤波侧电路图；
22.图6是本发明中的十二脉波感应滤波系统阀侧电路图；
23.图7是本发明中的变压器ⅰ一次侧电流波形图；
24.图8是本发明中的变压器ⅱ一次侧电流波形图；
25.图9是本发明中的交流电源网侧电流波形图。
26.图中11、电网电源，12、变压器ⅰ网侧绕组，13、变压器ⅰ阀侧绕组，14、变压器ⅰ滤波绕组，15、变压器ⅱ网侧绕组，16、变压器ⅱ阀侧绕组，17、变压器ⅱ滤波绕组，18、调谐滤波器，19-1、六脉波整流器ⅰ，19-2、六脉波整流器ⅱ，21、铁心。
具体实施方式
27.为了便于本领域技术人员更清楚的理解本发明的技术方案，以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种新型十二脉波感应滤波变压器结构作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清楚地辅助说明本发明的技术方案。
28.如图2变压器主体各绕组布置图所示，十二脉波感应滤波变压器结构主体各绕组排布自内向外分别为阀侧绕组13、滤波绕组14和网侧绕组12。
29.如图1十二脉波感应滤波变压器拓扑结构图所示，它包括两台变压器主体，还包括两台相同的六脉波整流器ⅰ19-1和六脉波整流器ⅱ19-2；每台变压器主体电路包括三个绕组，即变压器ⅰ从内到外分别为阀侧绕组13、滤波绕组14和网侧绕组12；变压器ⅱ从内到外分别为阀侧绕组16、滤波绕组17和网侧绕组15；变压器ⅰ的网侧绕组12与变压器ⅱ的网侧绕组15并联连接电网电源11，所述的变压器ⅰ的阀侧绕组13连接六脉波整流器ⅰ19-1，所述变压器ⅱ的阀侧绕组16连接六脉波整流器ⅱ19-2，所述的变压器ⅰ的滤波绕组14与变压器ⅱ的滤波绕组17并联后连接调谐滤波器18；当整流系统产生谐波电流时，其中主要的5、7次谐波在并联滤波绕组相互抵消，11、13次谐波被调谐滤波器18产生相反的电流将谐波电流抵消。
30.变压器ⅰ主体中网侧绕组12、滤波绕组14、阀侧绕组13的接线方式采用d，yn11，d0连接，变压器ⅱ主体中网侧绕组15、滤波绕组17、阀侧绕组16的接线方式采用d，yn11，yn11连接，十二脉波感应滤波变压器一次网侧接线采用三角形接线法，其可以对高次谐波和3次谐波起到抑制作用。通过改变绕组的间距和轴向、辐向尺寸使滤波绕组的等效阻抗零，实现超导；在采用了此结构由于磁势平衡原理与调谐滤波器相互作用，实现谐波抑制，补偿无功，减小变压器网侧容量。
31.实施感应滤波的前提是滤波绕组14与滤波绕组17的零值阻抗设计，因此变压器ⅰ的滤波绕组14和变压器ⅱ的滤波绕组17必须按照零值阻抗的标准来进行设计。
32.变压器ⅰ和变压器ⅱ的绕组匝数比需要满足
[0033][0034]
式中，下标ⅰ和ⅱ分别表示变压器ⅰ和ⅱ，下标1、2和3分别表示变压器的网侧绕组、阀侧绕组和滤波绕组。a为大于0的数。
[0035]
该系统中的两台六脉波整流器需要完全相同，这样两台变压器阀侧谐波电流的幅值才会相同。
[0036]
两台变压器的各绕组等效短路阻抗需要分别相同。
[0037]
各部分具体设计如下。
[0038]
1、变压器本体设计
[0039]
变压器的设计分两个阶段，第一阶段为电磁计算，第二阶段为结构设计。
[0040]
(1)铁心(21)直径与容量的确定：铁心(21)直径的计算采用半经验公式：
[0041][0042]
kd取决于铁心(21)材料，sz为变压器的每柱容量，对于三绕组变压器，其计算方式为：
[0043][0044]
其中m
l
为铁心柱数，三相三柱同心式绕法铁心柱数为3.
[0045]
计算出变压器网侧、滤波侧、阀侧的额定容量sw、s
l
、sf，由三绕组变压器折算公式可得变压器的容量为
[0046]
[0047]
(2)绕组匝数的确定。由变压器电动势方程得每匝电压e
t
：
[0048][0049]
其中bm为铁心柱磁密，az为铁心柱有效截面积。在计算出每匝电势e
t
后各
[0050]
绕组匝数n便可由各绕组电压和每匝电势求得：
[0051][0052]
2、调谐滤波器设计
[0053]
在对滤波绕组14与17进行了零阻抗设计后，调谐滤波器18也是重要的一环，必须配备调谐滤波器18才能对特定次的谐波进行滤除。
[0054]
设计调谐滤波器18的前提需要计算滤波支路需要补偿的无功容量，将容量合理分配到所有并联滤波支路中。本发明采用的为单调谐滤波装置。
[0055]
单个滤波电容器的计算公式为
[0056][0057]
其中n为谐波次数，u为滤波器接入点的母线电压，ω1为基波角频率，q
c(n)
为n次滤波支路补偿容量。
[0058]
由谐振频率根据求得的电容值可确定电感值：
[0059][0060]
单调谐滤波器中一般配备电阻器，其值由品质因数q决定：
[0061][0062]
4、仿真验证：
[0063]
图3、图4、图5和图6为基于ansys/maxwell的新型十二脉波感应滤波整流系统的三维模型和外电路，其中图3为变压器ⅰ的3d结构，从外向内分别为网侧绕组12，滤波绕组14和阀侧绕组13，变压器ⅱ的3d结构与ⅰ的相同所以不再赘述。
[0064]
由图7、图8和图9可知，对比传统十二脉波整流方案，本发明的新型十二脉波感应滤波整流系统，不仅是交流网侧的电流已经正弦化，而且变压器ⅰ和变压器ⅱ的一次侧电流也近似正弦化，新型十二脉波感应滤波整流系统网侧汇流电流、变压器ⅰ一次侧电流、变压器ⅱ一次侧电流总谐波畸变率分别为2.4％、4.18％以及4.13％对比传统12脉波整流总谐波畸变率7.55％、22.58％以及24.01％，说明谐波在变压器中的流通得以抑制，减小谐波对变压器本体的损害。
[0065]
本发明未尽事宜为公知技术。
[0066]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。