一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构
阅读说明：本技术 一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构 (Vertical iron core structure of rolling up of transformer that contains zero sequence magnetic flux return circuit ) 是由 刘桦 柳轶彬 高亚晨 张立石 梁得亮 李大伟 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构,其可以用于混合配电变压器中卷铁芯结构的隔离变压器,也可以用于其它需要提供零序磁通回路的立式卷铁芯结构变压器；在现有立式卷铁芯为三相正序和负序磁通提供通路的基础上,增加了零序磁通通路,使得变压器零序阻抗变小,从而减小零序损耗。同时本发明提出的新型结构依然具有现有立式卷铁芯结构的优点：三相完全对称,磁路长度相同,磁通均匀,产生的波形好；芯柱的接缝小,运行时噪音低,空载电流和空载损耗也特别小。(The invention discloses a vertical wound core structure of a transformer containing a zero-sequence magnetic flux loop, which can be used for an isolation transformer of a wound core structure in a hybrid distribution transformer and can also be used for other vertical wound core structure transformers needing to provide the zero-sequence magnetic flux loop; on the basis that the existing vertical wound iron core provides a passage for three-phase positive-sequence and negative-sequence magnetic fluxes, a zero-sequence magnetic flux passage is added, so that the zero-sequence impedance of the transformer is reduced, and the zero-sequence loss is reduced. Meanwhile, the novel structure provided by the invention still has the advantages of the existing vertical rolled iron core structure: three phases are completely symmetrical, the lengths of magnetic circuits are the same, the magnetic flux is uniform, and the generated waveform is good; the core column has small joint, low noise in operation, and extremely small no-load current and no-load loss.)
技术领域
本发明属于变压器技术领域，具体涉及一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构。
背景技术
过去几十年中，电力电子技术的发展使得用电设备的特性产生了很大变化，敏感负荷会降低电网稳定性；而风能，太阳能等可再生能源的开发促进了智能电网的发展，对诸如电力变压器等设备提出了新的挑战，混合式配电变压器(HDT) 应运而生。混合式配电变压器将电力电子变换器和传统变压器结合在一起，通过对电力电子开关通断的控制，能同时使负载侧电压和网侧电流保持稳定和对称，实现了谐波治理，无功功率补偿，功率因数提升和稳压，能综合性地提高电能质量。适用于敏感型负载和网侧电源有波动的情况，提高了电网稳定性。
传统变压器的三相铁芯位于同一平面上，而立式卷铁芯结构的三相芯柱呈等边三角形对称放置，且芯柱和轭部的连接处为圆弧形。这种结构上下对称，且三相完全对称，因而磁路长度相同，磁通均匀，能产生较好的波形；由于芯柱是由条料连续紧密地卷制而成，因此接缝小，运行时噪音低，空载电流和空载损耗也特别小，与传统铁芯相比具有更高的经济效益。
混合式配电变压器由主变压器和隔离变压器构成，其中隔离变压器会产生零序磁通，而现有的立式卷铁芯没有为零序磁通提供通路，零序磁通只能通过气隙构成闭合回路，导致变压器零序阻抗较大。因此，需要提出一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构，即具有卷铁芯结构的优势，又能为零序磁通提供回路。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构，以解决现有技术中实际是解决现有立式卷铁芯结构不含零序磁通回路的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种含零序磁通回路的立式卷铁芯结构，其特征在于，包括三个外铁芯和三个内铁芯，每一个铁芯为环形，所述内铁芯设置在外铁芯中；
每一个铁芯分为两个竖直方向的铁芯柱和两个水平方向的轭部，铁芯柱的每一端均通过连接部和一个轭部连接；
每一个外铁芯的铁芯柱均和另外一个外铁芯的铁芯柱接触，三个外铁芯的铁芯柱依次接触，三个外铁芯形成虚拟的等边三棱柱结构；
每一个内铁芯中的一个铁芯柱设置在所述等边三棱柱结构的竖直中心线处，另一个铁芯柱设置在等边三棱柱的侧棱处，一个内铁芯对应一个侧棱；
每一个侧棱处的三个铁芯柱共同被绕组缠绕。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述外铁芯为硅钢片卷绕而成的环形整体；所述内铁芯为硅钢片卷绕而成的环形整体。
优选的，所述内铁芯在由内向外缠绕的过程中，硅钢片的宽度先由窄到宽，再由宽到窄，内铁芯的侧壁面一个为平面，另一个为曲面。
优选的，所述外铁芯在由内向外缠绕的过程中，硅钢片的宽度先由窄到宽，再由宽到窄；外铁芯的内侧壁面由两个平面组成，所述两个平面的夹角为120°，外铁芯的内侧壁面为曲面。
优选的，每一个侧棱处两个外铁芯和一个内铁芯共同组成一相芯柱，分别为 A相芯柱、B相芯柱和C相芯柱；三个内铁芯的铁芯柱在竖直中心线处共同组成中间芯柱；
所述中间芯柱分别通过内铁芯的轭部和三相芯柱连接。
优选的，外铁芯的铁芯柱和内铁芯的铁芯柱高度相等。
优选的，所述连接处为弧形。
优选的，所述外铁芯连接处的半径大于内铁芯连接处的半径。
优选的，所述绕组包括一次绕组和二次绕组，二次绕组缠绕在三个铁芯柱外，一次绕组缠绕在二次绕组外。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构，是一种可用于混合配电变压器中隔离变压器的新型立式卷铁芯结构，在现有立式卷铁芯为三相正序和负序磁通提供通路的基础上，增加了零序磁通通路，使得变压器零序阻抗变小，从而减小零序损耗。同时本发明提出的新型结构依然具有现有立式卷铁芯结构的优点：三相完全对称，磁路长度相同，磁通均匀，产生的波形好；芯柱的接缝小，运行时噪音低，空载电流和空载损耗也特别小。本发明具有普遍性，不仅可用于所述隔离变压器，凡三相当中会产生零序磁通的场合，本发明均适用。在原有立式卷铁芯结构的基础上增加零序磁通通路，减小零序阻抗和零序损耗，从而满足更高的要求，达到更好的经济效益。
附图说明
图1为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯中的单个铁芯结构示意图。
图2为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯外层结构示意图。
图3为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯内层结构示意图。
图4为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯整体结构示意图。
图5为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯整体俯视剖面图。
图6是轭部EAO1和芯柱XA3连接处水平剖面的俯视图。
图7是A相外铁芯的轭部EAB1和芯柱XA1连接处水平剖面的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种可用于混合式配电变压器中隔离变压器的新型立式卷铁芯结构，主体结构由两部分组成，外铁芯和内铁芯，其中内铁芯套装在外铁芯中。所述外铁芯设置有三个，内铁芯设置有三个。
每个内、外铁芯的垂直方向称为铁芯柱、水平方向称为铁轭。更为具体的，每一个外铁芯由外铁芯柱和外轭部组成，每一个内铁芯由内铁芯柱和内轭部组成。每个内、外铁芯均是由硅钢片卷绕制成的环形整体，如图1所示。
M1、M2和M3是三个外铁芯，外铁芯柱和轭部的结构与传统的立式卷铁芯结构相似。如图2所示，M1包含外铁芯柱XA1和XB2，外铁轭EAB1和EAB2；M2包含外铁芯柱XB1和XC2，外铁轭EBC1和EBC2；M3包含外铁芯柱XC1和XA2，外铁轭ECA1和ECA2。三相芯柱的高度相同且呈对称分布，各相芯柱之间由平行于水平面的上下两条轭部连接。每相芯柱由两部分组成，具体的，A相外铁芯柱由XA1和XA2组成，B相外铁芯柱由XB1和XB2组成，C相外铁芯柱由XC1和XC2组成，A向外铁芯柱和B相外铁芯柱的上端由外铁轭EAB1连接，下端由外铁轭EAB2连接；A向外铁芯柱和C相外铁芯柱的上端由外铁轭ECA1连接，下端由外铁轭ECA2连接；B向外铁芯柱和C相外铁芯柱的上端由外铁轭EBC1连接，下端由外铁轭 EBC2连接；整个外铁芯为一个整体，其芯部和轭部由宽度变化的薄条料紧密连续由内向外缠绕而成，连接处为圆弧形。参见图5为具有零序磁通通路的变压器立式卷铁芯整体俯视剖面图，以最底部的外铁芯框为例，两个芯柱截面是三分之一圆形(扇形)，左边一个右边一个。扇形截面中的层层线条，代表层层条料；其中一个外铁芯中最内圈条料最窄，对应扇形里最短的竖线，在条料由内往外卷的过程中，条料的宽度逐渐增大再减小，对应地，扇形里的竖线长度先增大至圆的半径大小，再逐渐减小，形成图2中，截面本身变化的铁芯柱和外铁轭。由于三个外铁芯的铁芯柱两两接触，因此三个外铁芯形成了等边三棱柱的结构，外层结构为三相磁通的正序分量和负序分量提供闭合通路。
内铁芯中内铁芯柱和轭部结构如图3所示，N1、N2和N3是三个内铁芯。如图3所示，N1包含内铁芯柱XA3和XOA，内铁轭EAO1和EAO2；N2包含内铁芯柱 XB3和XOB，内铁轭EBO1和EBO2；N3包含内铁芯柱XC3和XOC，内铁轭EOC1和 EOC2。三相铁芯柱高度相同且呈对称分布，另有一芯柱位于三相芯柱所在位置的几何中心处，为中间芯柱，参见图3，内铁芯柱XOA、XOB和XOC均在中心部分，这三个内铁芯柱共同组成中间芯柱，相对应的，每一个内铁芯的另外一个内铁芯柱XA3、XB3和XC3分别为三相的芯柱，各相芯柱分别通过平行于水平面的上下两条轭部与中间芯柱相连，三个内铁芯的铁轭以中间芯柱为圆心，沿着周向等分设置，即相邻两个铁轭之间的夹角为120°。与外铁芯相同，整个内铁芯为一个整体，其芯部和轭部由宽度变化的薄条料紧密连续由内向外缠绕而成，连接处为圆弧形。芯部和轭部由薄条料绕制而成，连接处为圆弧形。内铁芯能为三相铁芯中产生的零序磁通分量提供闭合回路。薄条料即为硅钢片
以A相的内铁芯为例，图6是轭部EAO1和芯柱XA3连接处水平剖面的俯视图。图中的“内”字代表内铁芯卷绕的内圈，“外”字代表内铁芯卷绕的最外圈，内铁芯的内端面的宽度略大于外端面的宽度，整个内铁芯最宽的部分在M,N点间距。内铁芯在由内向外缠绕的过程中，薄条料的宽度先由窄到宽，过MN后再由宽到窄，始终为变化的宽度。内铁芯的侧壁面不是一个面，而是由两个面组成，包括一个平面和一个曲面，且其两个侧壁面对称。
参见图7为A相外铁芯的轭部EAB1和芯柱XA1连接处水平剖面的俯视图，图7与图6是同一个水平高度上的截面。图中的“内”字代表外铁芯卷绕的内圈，“外”字代表外铁芯卷绕的最外圈，外铁芯的内端面的宽度等于外端面的宽度，整个外铁芯最宽的部分为O，R点间距。外铁芯在由内向外缠绕的过程中，薄条料的宽度先由窄到宽，过O，R后再由宽到窄，始终为变化的宽度。外铁芯的外侧壁面是一个曲面，不与其他面接触，能直接观察到，外铁芯的内侧壁面是两个夹角为120°的平面，分别与A相中其他两个芯柱XA1和XA2接触。
内铁芯和外铁芯的拼接方式如图4所示：A相芯柱XA由XA1，XA2与XA3组合在一起，B相芯柱XB由XB1,XB2与XB3组合在一起，C相芯柱XC由XC1和XC2与XC3组合在一起。三相芯柱XA,XB和XC放置的位置位于一个虚拟等边三角形的三个顶点上，该虚拟等边三角形的重心处也放置了一个芯柱XO，XO由XOA,XOB和XOC三部分组成，内铁芯和外铁芯中所有芯柱高度相同，由于外铁芯连接部分的半径大于内铁芯连接部分的外径，使得外铁芯的外圈大于内铁芯。每两相芯柱之间分别由顶部和底部的两条平行于水平面的轭部连接，所述轭部沿所述虚拟等边三角形的三条边分布。同时三相芯柱分别由顶部和底部的两条平行于水平面的轭部连接到重心处的芯柱XO上。XA3和XOA由轭部EAO1和EAO2连接，X3和XOB由轭部EBO1和EBO2连接,XC3和XOC由轭部ECO1和ECO2连接，所述轭部沿虚拟等边三角形的中线分布。所有轭部和芯部的连接处为圆弧形。所述变压器立式卷铁心整体结构三相对称且上下对称，为A，B，C三相磁通和零序磁通提供了通路。
芯柱XA外缠绕A相一次绕组WA1和二次绕组WA2，二次绕组WA2在内侧，一次绕组WA1在外侧；芯柱XB外缠绕B相一次绕组WB1和二次绕组WB2，二次绕组WB2在内侧，一次绕组WB1在外侧；芯柱XC外缠绕C相一次绕组WC1和二次绕组WC2，二次绕组WC2在内侧，一次绕组WC1在外侧。当变压器一次侧绕组有电流流过时，因交变的电流，铁芯内会产生相应的磁通。若三相输入电流处于理想状态，即三相电流幅值相等，不含谐波分量，相位各相差120°时，三相感应磁通分布对称，只含正序分量，因而铁芯内层结构没有磁通。外层结构中，磁通从密度高处流向密度低处。然而在实际应用中，由于一次侧电流谐波，二次侧负载变化等各种原因，铁芯中的感应磁通三相不对称，会同时含有正序，负序和零序分量。此时三相感应磁通分布不对称，但分解后各相磁通的零序分量大小相等，方向相同，因而会同方向地流入或流出芯柱XO。
本发明公开了一种含零序磁通回路的变压器立式卷铁芯结构，其可以用于混合配电变压器中卷铁芯结构的隔离变压器，也可以用于其它需要提供零序磁通回路的立式卷铁芯结构变压器；在现有立式卷铁芯为三相正序和负序磁通提供通路的基础上，增加了零序磁通通路，使得变压器零序阻抗变小，从而减小零序损耗。同时本发明提出的新型结构依然具有现有立式卷铁芯结构的优点：三相完全对称，磁路长度相同，磁通均匀，产生的波形好；芯柱的接缝小，运行时噪音低，空载电流和空载损耗也特别小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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