一种移相变压器、电压变换系统及变频系统

技术领域

本发明属于变频技术领域，尤其涉及一种移相变压器、电压变换系统及变频系统。

背景技术

在变频系统，特别是设置有级联式变频器的变频系统中，移相变压器是极为常用的电气设备，变频器通过移相变压器连接交流电网，并由移相变压器实现必要的电压变换过程。由于移相变压器往往容量较大，在变频器合闸上电的瞬间，移相变压器的充磁过程会产生数倍乃至数十倍于额定电流的励磁涌流。该励磁涌流不仅会影响系统中断路器的整定设置和保护效能，还可能会导致变频器自身工作异常、影响电子元器件的可靠性和寿命，甚至还会导致电网电压剧烈波动，影响其他设备可靠运行。

为了抑制上述励磁涌流，现有变频系统中大都会设置一个电流抑制装置，该电流抑制装置连接于移相变压器前端，主要由高压抑制电阻和高压开关构成，在变频器上电时，依靠高压抑制电阻限制励磁涌流，并在电流抑制完成后通过高压开关将高压抑制电阻旁路，避免高压抑制电路消耗过多电能。

由此可见，现有技术的电流抑制装置是基于高压开关、高压抑制电阻等高压器件实现的，电流抑制装置体积大、成本高，进而导致整个变频系统的成本居高不下。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种移相变压器、电压变换系统及变频系统，移相变压器内设置有励磁绕组，依靠励磁绕组对移相变压器预充磁，进而降低由于上电瞬间的充磁过程导致的励磁涌流，不再使用现有技术中的电流抑制装置，有助于降低整个变频系统的成本，具体方案如下：

第一方面，本发明提供一种移相变压器，包括：铁心、原边绕组、副边绕组和励磁绕组，其中，

所述原边绕组、所述副边绕组和所述励磁绕组分别套装于所述铁心；

所述励磁绕组采用星型连接；

所述励磁绕组的中性点和所述励磁绕组所连接的励磁电源中的至少一个接地；

在所述励磁绕组输入预设励磁电压的情况下，所述原边绕组和所述副边绕组感应出相应的额定电压。

可选的，所述励磁绕组的首端的对地阻抗满足预设电流泄放要求。

可选的，所述励磁绕组的匝数小于等于10匝，且所述励磁绕组中每一匝导线的截面积大于等于50mm

可选的，所述励磁绕组套装于所述铁心的心柱或铁轭。

第二方面，本发明提供一种电压变换系统，包括：励磁电源和本发明第一方面任一项所述的移相变压器，其中，

所述励磁电源的输入端与交流电网相连，所述励磁电源的输出端与所述移相变压器中励磁绕组的首端相连；

所述励磁电源向所述励磁绕组输出预设励磁电压。

可选的，所述励磁电源包括：励磁变压器，其中，

所述励磁变压器的原边绕组的输入端作为所述励磁电源的输入端；

所述励磁变压器的副边绕组的输出端作为所述励磁电源的输出端。

可选的，所述励磁变压器的副边绕组采用星型连接。

可选的，所述励磁电源还包括：限流电路，其中，

所述限流电路串联于交流电网与所述励磁变压器之间。

可选的，所述励磁电源还包括：低压变频器，其中，

所述低压变频器串联于交流电网与所述励磁变压器之间；

所述低压变频器按照预设规则升高输出至所述励磁变压器的电压，直至所述励磁变压器的副边绕组的输出电压达到所述预设励磁电压。

第三方面，本发明提供一种变频系统，包括变频器和本发明第二方面任一项所述的电压变换系统，其中，

所述电压变换系统中的移相变压器的输入端连接交流电网；

所述移相变压器的输出端连接所述变频器。

上述本发明提供的移相变压器，包括：铁心、原边绕组、副边绕组和励磁绕组，原边绕组、副边绕组和励磁绕组分别套装于铁心上，在励磁绕组输入预设励磁电压的情况下，原边绕组和副边绕组感应出相应的额定电压。本发明提供的移相变压器，在实际应用中，通过向励磁绕组施加预设励磁电压，使得移相变压器的原边绕组和副边绕组感应出相应的额定电压，进而完成对移相变压器的预充磁过程，在预充磁结束后控制变频器合闸上电，因为移相变压器已经建立输出额定电压所需的磁场，便不会产生励磁涌流。由于本申请提供的移相变压器具有预充磁功能，能够限制励磁涌流，因此，可以取消现有技术中的电流抑制装置，有助于降低变频系统的整体成本。

进一步的，励磁绕组采用星型连接，且励磁绕组的中性点和励磁绕组所连接的励磁电源中的至少一个接地，基于这种连接方式，在发生短路或绝缘击穿故障的情况下，故障电流可通过接地点可靠导入大地，确保连接在励磁绕组上的设备以及运维人员的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种移相变压器的结构框图；

图2是本发明实施例提供的一种电压变换系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种电压变换系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的再一种电压变换系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的又一种电压变换系统的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种电压变换系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

变压器在空载合闸与交流电网建立电气连接关系时，如果铁心中的剩余磁通与变压器投入运行时输入电压产生的磁通方向相同，所产生的总磁通量将远远超过铁心的饱和磁通量，导致铁心瞬间饱和，进而产生极大的冲击励磁电流，即励磁涌流。在变频系统中，不仅包括进行电压变换的移相变压器和变频器，同时还设置有大量的储能电容，因为电容在上电瞬间也会产生较大的充电电流，这样会进一步增大移相变压器中流通的电流，因此，变频系统中移相变压器在上电瞬间的励磁涌流往往是极大的。

基于上述实际运行情况，参见图1，图1是本发明实施例提供的一种移相变压器的结构示意图，本实施例提供的移相变压器包括铁心10、原边绕组20、副边绕组30和励磁绕组40，其中，

原边绕组20、副边绕组30和励磁绕组40分别套装于铁心10上。在移相变压器的实际生产中，励磁绕组40可以套装于铁心10的心柱上，也可以套装与铁心10的铁轭上，在图1所示实施例中，励磁绕组40即套装于铁心10的铁轭上。而对于原边绕组20和副边绕组30则套装于铁心10的心柱之上，至于原边绕组20和副边绕组30相对于绕组辐向的套装关系，即原边绕组20更靠近心柱还是副边绕组30更靠近心柱，可以结合原边绕组20与副边绕组30的电压关系，绕组绕制方式以及具体的连接组别灵活选择，图1所示布置方式仅仅是为便于理解所给出的示例性说明，本发明对此不做限定。

考虑到在移相变压器生产过程中，铁心的上铁轭都是在原边绕组和副边绕组套装完毕后，逐级逐片的插装完成的，励磁绕组如果套装在上铁轭上，可以是在铁心上铁轭插装完成后，再行绕制励磁线圈，并完成后续的接线作业。当然，在实际应用中，还可以采用前天的生产工艺，本发明对于励磁绕组套装于铁轭的具体实现方式不做限定。

可以想到的是，移相变压器都是三相变压器，相应的，原边绕组20、副边绕组30以及励磁绕组40都包括三相，在套装时按照对应相序套装即可，此处不再赘述。

进一步的，如图1所示，励磁绕组40采用星型连接，一方面是因为接线方便，便于实现，更重要的是，采用星型连接可以引出绕组的中性点，在将中性点接地之后，如果原边绕组20或副边绕组30对励磁绕组40放电，可以通过接地的中性点将放电电流泄放至大地，从而保证移相变压器的安全运行。进一步的，考虑到在励磁绕组40的实际应用中，其实现对铁心充磁的电能来源于励磁电源，而励磁电源本身也可以根据实际情况选择接地或不接地，因此，励磁绕组的中性点和励磁绕组所连接的励磁电源中，需要至少一个接地，从而保证在移相变压器或整个系统发生短路或绝缘击穿故障的情况下，故障电流可以可靠的通过接地连接导入大地。

在励磁绕组采用星型连接的基础上，本发明实施例提供的移相变压器还通过其他多种方式，增强励磁绕组40泄放故障电流的能力，具体实现在后续内容中展开，对于励磁绕组40总的要求是励磁绕组40的首端的对地阻抗满足预设电流泄放要求，结合实际应用中的相关行业标准，励磁绕组40首端的对地阻抗应符合GB12668-501以及IEC61800-5-1等标准的要求，当然，结合实际的应用场景，还可以对励磁绕组40首端的对地阻抗设置其他具体的要求。

对于原边绕组20以及副边绕组30的连接组别，可以结合现有技术中移相变压器的连接组别实现，本发明对此不做限定。

基于基本的励磁原理可知，对变压器的励磁过程应该在变压器原边绕组与电网建立电气连接，即变压器合闸之前进行，相应的，本发明实施例提供的移相变压器，在合闸上电之前，励磁绕组40首先输入预设励磁电压，对移相变压器进行预充磁，即在铁心10中建立相应的磁通，直至原边绕组20和副边绕组30感应出相应的额定电压，即原边绕组20感应出原边额定电压，副边绕组30感应出副边额定电压，完成预充磁过程。

由于在移相变压器原边绕组上电合闸之前，通过励磁绕组已经在铁心中建立了额定运行工况对应的铁心磁通，移相变压器原边绕组上电合闸瞬间不会产生励磁涌流现象，从而保证移相变压器的稳定上电。而且，励磁过程中移相变压器原边绕组和副边绕组所感应出来的额定电压，还可以为变频系统中的电容等储能元件充电，进一步降低合闸瞬间产生大电流的可能性。

综上所述，本发明提供的移相变压器，在实际应用中，通过向励磁绕组施加预设励磁电压，使得移相变压器的原边绕组和副边绕组感应出相应的额定电压，进而完成对移相变压器的预充磁过程，在预充磁结束后控制变频器合闸上电，因为移相变压器已经建立输出额定电压所需的磁场，便不会产生励磁涌流。由于本申请提供的移相变压器具有预充磁功能，能够限制励磁涌流，因此，可以取消现有技术中的电流抑制装置，有助于降低变频系统的整体成本。

进一步的，励磁绕组采用星型连接，且励磁绕组的中性点和励磁绕组所连接的励磁电源中的至少一个接地，基于这种连接方式，在发生短路或绝缘击穿故障的情况下，故障电流可通过接地点可靠导入大地，确保连接在励磁绕组上的设备以及运维人员的安全。

可选的，为了确保励磁绕组首端的对地阻抗满足预设电流泄放要求，尽可能提高励磁绕组泄放故障电流的能力，还可以采用如下措施：

首先，严格限制励磁绕组的匝数，励磁绕组的匝数小于等于10匝。可以想到的是，移相变压器中的绕组，可以看作是带铁心的螺线管，绕组匝数越多，其自身的阻抗越大，通过严格限制励磁绕组的匝数，可以有效限制励磁绕组自身的阻抗。

其次，励磁绕组的每一匝导线的截面积大于等于50mm

综上，本发明实施例提供的移相变压器，励磁绕组采用星型连接，且中性点接地，并且导线截面积足够大、匝数非常少，从而可以确保励磁绕组首端的对地阻抗满足泄放电流要求，具有较强的电流泄放能力。进一步的，由于励磁绕组泄放故障电流的能力强，励磁绕组和原边绕组以及副边绕组之间只需要满足功能绝缘即可，不要求基本绝缘，可以有效降低相应的绝缘距离，有助于减少移相变压器体积，进而降低成本。

根据移相变压器的基本原理可知，不论是原边绕组、副边绕组还是励磁绕组，三者对应的匝电压都是相同的，具体绕制匝数不同，绕组所产生的电压就会相应的变化。具体到本实施例中，移相变压器的原边绕组和副边绕组是最先确定的，匝电压也是在设计过程中确定好的，因此，合理选择励磁绕组匝数，即可确定励磁绕组的相电压，当励磁绕组采用星型连接的情况下，励磁绕组的线电压即为相电压的

进一步的，以图1所示移相变压器中的励磁绕组为例，阐明前述预设励磁电压的选取。

具体的，在移相变压器的铁轭上用铜排分别绕组三个1匝的励磁绕组，每个励磁绕组的相电压即为匝电压，三个励磁绕组的末端可靠短接并连接至移相变压器的接地点，三个励磁绕组的首端分别设为R和S和T。任意两相之间的电压，即

可选的，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种电压变换系统的结构示意图。本实施例提供的电压变换系统，包括：励磁电源和上述任一项实施例提供的移相变压器，其中，

励磁电源的输入端与交流电网(图中以U、V、W示出)相连，励磁电源的输出端与移相变压器中励磁绕组的首端相连。实际应用中，励磁电源向励磁绕组输出前述预设励磁电压。

需要说明的是，对于图中原边绕组和副边绕组的连接组别仅为示例性示出，不作为对其连接组别的具体限制。

可选的，参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种电压变换系统的结构示意图，在图2所示实施例的基础上，励磁电源采用励磁变压器实现。

具体的，励磁变压器的原边绕组的输入端作为励磁电源的输入端，与交流电网相连，在图3所示实施例中，还示出第一接触器(图中以Br1、Br2、Br3示出)，该第一接触器串联于交流电网与励磁变压器的原边绕组之间，通过第一接触器的开启或闭合，控制励磁变压器与交流电网的连接状态。励磁变压器的副边绕组的输出端则相应的作为励磁电源的输出端，与前述实施例提供的移相变压器的励磁绕组的首端相连。当然，励磁变压器的副边输出电压即为前述内容中所述及的预设励磁电压。

在实际应用中，上电时首先控制第一接触器闭合，使得励磁变压器得电，其副边绕组输出预设励磁电压，为后级的移相变压器充电，在经过一定时长的充电后，即可控制第一接触器断开，结束充磁过程。

可选的，如图3所示，励磁变压器的副边绕组采用星型连接，且中性点接地。进一步的，励磁变压器的副边绕组也可以采用大规格的导线绕制，可以想到的是，在励磁变压器的副边绕组采用星型连接、中性点接地且导线规格足够大的情况下，由励磁绕组泄放的电流也可以通过励磁变压器的副边绕组完成，相应的，可以进一步的降低励磁绕组的导线规格，或者，改变励磁绕组的连接组别或接地情况。

为进一步降低励磁变压器上电过程中有可能发生的电流突变，确保励磁变压器后级的移相变压器能够的充磁过程稳定进行，还可以在交流电源与励磁变压器之间设置限流电路，即将限流电流串联于交流电网与励磁变压器之间，通过限流电流控制励磁过程中电流的大小，特别是励磁初期的电流大小，避免出现过大的励磁电流。具体的系统构成可以参见图4所示。

在图4所示实施例的基础上，图5所示实施例给出一种更为具体的限流电路的构成方式，如图5所示，限流电路包括三个限流电阻(图中以R1～R3示出)和第二接触器(图中以Br4、Br5、Br6示出)。

三个限流电路分别串联于不同相的励磁回路中，即限流电阻R1串联于U相励磁回路、限流电阻R2串联于V相励磁回路，限流电阻R3串联于W相励磁回路。第二接触器包括三组开关触点，各开关触点分别与各限流电阻并联连接，且各开关触点所并联的限流电阻互不相同，即开关触点与限流电阻呈一一对应关系。

需要说明的是，在图4以及图5所示实施例中给出的第一接触器和第二接触器，可以是三个独立的单向开关，也可以是一个三相开关，本发明对于第一接触器和第二接触器的具体结构不做限定。

在本实施例的实际应用中，上电时首先控制第一接触器闭合、第二接触器断开，交流电流经限流电阻至励磁变压器，励磁变压器得电、副边输出预设励磁电压至后级移相变压器中的励磁绕组，进行预充磁，此时，由于充磁回路中串联有限流电阻，励磁电流不会突变或很大；在延迟预设时间1之后，充电电流稳定，控制第二接触器闭合，将限流电阻短接，进而加快充磁过程，在延迟预设时间2后，控制第二接触器断开，在后级移相变压器感应输出额定电压并延迟预设时间3之后，控制第一接触器断开，结束充磁过程。

可以想到的是，励磁绕组所需的预设励磁电压很低，因此，在实际应用中，励磁变压器大都属于降压移相变压器。

可选的，参见图6，图6是本发明实施例提供的另一种电压变换系统的结构示意图，在本实施例提供的电压变换系统中，励磁电源基于低压变频器实现。

低压变频器串联于交流电网与励磁变压器之间，在实际应用中，可以控制低压变频器按照预设规则升高输出至励磁变压器的电压，直至励磁变压器的副边绕组的输出电压达到前述预设励磁电压，并调整低压变频器输出电压相位，使得励磁变压器后级的移相变压器原边绕组感应出来的电压相位和移相变压器将接入的电压相位相同或将相位差控制在较小的范围内，在此种情况下使移相变压器的原边绕组与电网连接，可进一步避免产生大的冲击电流。相应的，在上述其他实施例中，移相变压器原边绕组与电网建立电气连接的时机，同样应遵循这一原则和方式，此处不再展开。

可选的，本发明实施例还提供一种变频系统，包括变频器和上述任一项实施例提供的电压变换系统，其中，

电压变换系统中的移相变压器的输入端连接交流电网；

移相变压器的输出端连接变频器。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(R励磁变压器M)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。