一种新型绕组的直线式移相变压器及输出电压调控方法
阅读说明：本技术 一种新型绕组的直线式移相变压器及输出电压调控方法 (Novel linear phase-shifting transformer with winding and output voltage regulation and control method ) 是由 赵镜红 吴媚 郭国强 周杨威 薛婕 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明属于变压器技术领域,公开了一种新型环形绕组的直线式移相变压器及输出电压调控方法,应用于逆变时,原边输入为逆变器产生的四组六阶梯波,副边输出三相交流电；应用于整流时,原边输入为三相交流电,副边输出为十二相交流电,输入整流器后,最终产生直流电。本发明可以实现更多的相数,极大简化了移相变压器的结构,线圈端部短,端部绕组没有重叠,减少了用铜量,降低了损耗,同时大大降低了加工难度。本发明采用的新型绕组,谐波抑制效果较好,绕组成对耦合,对称性好,电动势正弦性较好。本发明采用新型绕组大大减小了端部绕组,降低了绕组损耗,极大简化了移相变压器的结构。(The invention belongs to the technical field of transformers, and discloses a novel linear phase-shifting transformer with a ring winding and an output voltage regulation and control method, wherein when the novel linear phase-shifting transformer is applied to inversion, the primary side input is four groups of six step waves generated by an inverter, and the secondary side outputs three-phase alternating current; when the rectifier is applied to rectification, the primary side input is three-phase alternating current, the secondary side output is twelve-phase alternating current, and direct current is finally generated after the input is the rectifier. The invention can realize more phases, greatly simplifies the structure of the phase-shifting transformer, has short coil end, has no overlapping of end windings, reduces the copper consumption, reduces the loss and greatly reduces the processing difficulty. The novel winding adopted by the invention has better harmonic suppression effect, paired coupling of the windings, good symmetry and better sine of electromotive force. The invention adopts the novel winding to greatly reduce the end winding, reduce the winding loss and greatly simplify the structure of the phase-shifting transformer.)
技术领域
本发明属于移相变压器
技术领域
，尤其涉及一种新型绕组的直线式移相变压器及输出电压调控方法。背景技术
多重化技术可以有效的减少输出电压的谐波，降低电网污染，提高输出电压波形的质量、改善输出性能。移相变压器是多重化设备的重要组成部分，对其研究具有重要意义。
从铁心结构形式出发，目前移相变压器可分为传统的柱形移相变压器、圆形移相变压器和直线式移相变压器四类。
传统的柱式移相变压器绕组复杂，加工难度大，当功率较大或脉波相数较多时，变压器的体积和重量巨增，铁心利用率较低；同时为了保持输出三相的对称性并实现准确的移相，需要特殊设计绕组的匝数比、联结方式、串联次数等，绕组结构将十分复杂，加工难度大。
圆形移相变压器采用圆形电机式铁心结构，理论上看，原副边绕组均匀分布在圆形铁心内部，磁路更加紧凑对称，移相非常准确；但在实际加工时，端部绕组较长，端部漏抗较大，铁芯制造和绕组嵌线都比较复杂，加工难度较大，且不便于拓展。
基于直线电机结构的直线式移相变压器，绕组布设较为方便，具有结构可叠加、易拓展、可实现任意移相等优点。现有的直线式移相变压器结构主要有两种：1.文献“赵镜红,马远征,孙盼.基于直线式移相变压器的多重叠加逆变系统[J].电力自动化设备,2019,039(012):183-188.”中双层叠绕组端部绕线较长，漏抗较大，嵌线难度大，匝数受到限制；2.专利CN 202011119122.4中的新型环形绕组，大大减少了端部绕线，但绕组绕过背部铁心，浪费了铜线；另外采用单层绕组，铁心较长。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的柱式移相变压器，利用特定的绕组形式来实现某一角度的移相。当功率较大或相数较多时，变压器的体积和重量巨增，铁心利用率较低，同时需要特殊设计绕组的匝数比、联结方式、串联次数等绕组结构将十分复杂，导致加工难度大。
(2)现有的圆形移相变压器，铁芯制造和绕组嵌线加工难度大，同时圆形移相变压器不便于拓展，端部漏抗较大。
(3)采用双层叠绕组结构直线式移相变压器，端部绕组较长，当匝数较多时，端部非常大，难以加工。采用新型环形绕组的直线式移相变压器绕线绕过背部铁心，浪费了铜线，同时铁心长度较长。
解决以上问题及缺陷的难度为：
以上现有移相变压器的问题和缺陷，主要受其结构限制，难以改进。
解决以上问题及缺陷的意义为：
从移相变压器结构上进行创新，简化变压器结构，减少端部漏抗，节约材料，降低加工难度，减少气隙磁场干扰，最终使得输出电压性能更好、效率更高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型绕组的直线式移相变压器及输出电压调控方法。
本发明是这样实现的，一种新型绕组的直线式移相变压器逆变和整流输出电压调控方法，应用于逆变时，直线式移相变压器为原边输入为逆变器产生的四组六阶梯波，副边输出三相交流电。应用于整流时，直线式移相变压器为原边输入为三相交流电，副边输出为十二相交流电，输入整流器后，最终产生直流电。
进一步，十二相侧和三相侧槽数均为11槽加左右两侧各有一个半槽，极对数为1，并联支路数均为1。
本发明另一目的在于提供一种新型绕组的直线式移相变压器包括：
原边，包括有十二相，每相有一个线圈，分别为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4；每个线圈套在一个齿上，其中a1、b1、c1线圈的一端接成公共点o1，a2、b2、c2线圈的一端接成公共点o2，a3、b3、c3线圈的一端接成公共点o3，a4、b4、c4线圈的一端接成公共点o4，公共点不引出；各个相的另一端对外引出，记为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4；
副边，包括三相：每条支路由四个线圈首位串联组成，线圈分别记为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4；其中A1、A2、A3、A4线圈串联成A相，B1、B2、B3、B4线圈串联成B相，C1、C2、C3、C4线圈串联成C相，ABC相一端接成公共点o，各个支路的另一端对外引出，记为A,B,C。
进一步，所述十二相中每个线圈都套在齿上，形成环形；
所述三相中，每相由4个线圈串联而成，每个线圈都套在齿上，形成环形；
十二相侧时间排列上a1、a2、a3、a4依次滞后15电角度，b1、b2、b3、b4依次滞后15电角度，c1、c2、c3、c4依次滞后15电角度；a1、b1、c1依次滞后120电角度，a2、b2、c2依次滞后120电角度，a3、b3、c3依次滞后120电角度，a4、B4、c4依次滞后120电角度。
进一步，十二相侧空间排列上a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4依次滞后15机械角度。
进一步，所述a1支路的首端记为a1，尾端记为x1；a2支路的首端记为a2，尾端记为x2；a3支路的首端记为a3，尾端记为x3；a4支路的首端记为a4，尾端记为x4；b1支路的首端记为b1，尾端记为y1；b2支路的首端记为b2，尾端记为y2；b3支路的首端记为b3，尾端记为y3；b4支路的首端记为b4，尾端记为y4；c1支路的首端记为c1，尾端记为z1；c2支路的首端记为c2，尾端记为z2；c3支路的首端记为c3，尾端记为z3；c4支路的首端记为c4，尾端记为z4；支路的一端x1、y1、z1线圈的一端接成公共点o1，z2、y2、z2线圈的一端接成公共点o2，x3、y3、z3线圈的一端接成公共点o3，x4、y4、z4线圈的一端接成公共点o4，公共点不引出；支路的另一端对外引出，记为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，且互差15电角度。
进一步，三相侧时间排列上A、B、C依次滞后120电角度。
三相侧空间排列上A、B、C依次滞后120机械角度。
A支路的首端记为A，尾端记为X；B支路的首端记为B，尾端记为Y；C支路的首端记为C，尾端记为Z；支路的一端X、Y、Z接成公共点O；支路的另一端对外引出，记为A、B、C，且互差120电角度。
本发明的另一目的在于提供一种电网多重化设备，所述电网多重化设备实施所述新型绕组的直线式移相变压器逆变和整流输出电压调控方法，并搭载所述的新型绕组的直线式移相变压器。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)本发明可以实现更多的相数，极大简化了移相变压器的结构，线圈端部短，端部绕组没有重叠，减少了用铜量，降低了损耗，同时大大降低了加工难度。
(2)本发明采用的新型绕组，谐波抑制效果较好，绕组成对耦合，对称性好，电动势正弦性较好。
(3)本发明可以应用于整流和逆变系统。应用于整流时，原边通入三相交流电后，气隙中形成行波磁场，副边感应产生感应电势，由于同一侧绕组匝数相同且分布于直线上，具有较好的移相功能，理论上说可根据需求实现任意角度的移相；本发明应用于逆变时，原边通入三相桥式逆变系统输出的多相脉波，副边输出三相交流电。本发明采用新型绕组大大减小了端部绕组，降低了绕组损耗，极大简化了移相变压器的结构。
对比的技术效果或者实验效果包括：
本申请实施例与对比文献实施例，在相同功率下，谐波含量与效率对比如下表所示。可见在同等负载情况下，谐波含量减少，效率提升。当然，本申请中新型绕组最大优势在于，加工方便，嵌线简单，节约材料。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。
图1是本发明实施例提供的采用新型绕组的直线式移相变压器结构示意图。
图2是本发明实施例提供的铁心三维结构图。
图3是本发明实施例提供的新型绕组直线式移相变压器三维图。
图4是本发明实施例提供的十二相侧绕组分布图。
图5是本发明实施例提供的三相侧绕组分布图。
图6是本发明实施例提供的多重叠加逆变系统结构示意图。
图7是本发明实施例提供的12/3相直线式移相变压器原边绕组相位关系图。
图8是本发明实施例提供的额定负载时的电压波形图。
图9是本发明实施例提供的额定负载时的A相电压谐波分析图。
图10是本发明实施例提供的75％负载时的电压波形图。
图11是本发明实施例提供的75％负载时的A相电压谐波分析图。
图12是本发明实施例提供的50％负载时的电压波形图。
图13是本发明实施例提供的50％负载时的A相电压谐波分析图。
图14是本发明实施例提供的25％负载时的电压波形图。
图15是本发明实施例提供的25％负载时的A相电压谐波分析图。
图16是本发明实施例提供的空载时的电压波形图。
图17是本发明实施例提供的空载时的A相电压谐波分析图。
图18是本发明实施例提供A相电压谐波与负载关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型绕组的直线式移相变压器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明提供一种新型绕组的直线式移相变压器逆变和整流输出电压调控方法，应用于逆变时，直线式移相变压器为原边输入为逆变器产生的四组六阶梯波，副边输出三相交流电。应用于整流时，直线式移相变压器为原边输入为三相交流电，副边输出为十二相交流电，输入整流器后，最终产生直流电。
优选地，十二相侧和三相侧槽数均为11槽加左右两侧各有一个半槽，极对数为1，并联支路数均为1。
如图1-图3所示，本发明实施例提供的新型环形绕组的直线式移相变压器结构示意图，原副边为对称结构，各有十二个绕组对称分布。
原边中十二相每个线圈都套在齿上，形成环形；
副边地三相中，每相由4个线圈串联而成，每个线圈都套在齿上，形成环形。
如图4-图5绕组分布图可知。从变压器绕组结构看，原边包括有十二相，每相有一个线圈，分别为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4；每相由一个线圈组成，每个线圈套在一个齿上，线圈左右边位于不同的槽内，其中a1、b1、c1线圈的一端接成公共点o1，a2、b2、c2线圈的一端接成公共点o2，a3、b3、c3线圈的一端接成公共点o3，a4、b4、c4线圈的一端接成公共点o4，公共点不引出；各个相的另一端对外引出，记为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4。副边包括有三相：每个相带由4个线圈串联组成，每个线圈套在一个齿上，线圈左右边位于不同的槽内，分别记为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3、C4；其中A1、A2、A3、A4线圈串联成A相，B1、B2、B3、B4线圈串联成B相，C1、C2、C3、C4线圈串联成B相，ABC相一端接成公共点O，各个相的另一端对外引出，记为A,B,C。
在本发明中，十二相侧时间排列上A1、A2、A3、A4依次滞后15电角度，B1、B2、B3、B4依次滞后15电角度，C1、C2、C3、C4依次滞后15电角度；A1、B1、C1依次滞后120电角度，A2、B2、C2依次滞后120电角度，A3、B3、C3依次滞后120电角度，A4、B4、C4依次滞后120电角度。
十二相侧空间排列上，a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4依次滞后15机械角度。
在本发明中，a1支路的首端记为a1，尾端记为x1；a2支路的首端记为a2，尾端记为x2；a3支路的首端记为a3，尾端记为x3；a4支路的首端记为x4，尾端记为x4；b1支路的首端记为b1，尾端记为y1；b2支路的首端记为b2，尾端记为y2；b3支路的首端记为b3，尾端记为y3；b4支路的首端记为b4，尾端记为y4；c1支路的首端记为c1，尾端记为z1；c2支路的首端记为c2，尾端记为z2；c3支路的首端记为c3，尾端记为z3；c4支路的首端记为c4，尾端记为z4；支路的一端x1、y1、z1线圈的一端接成公共点o1，x2、y2、z2线圈的一端接成公共点o2，x3、y3、z3线圈的一端接成公共点o3，x4、y4、z4线圈的一端接成公共点o4，公共点不引出；支路的另一端对外引出，记为a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，且互差15电角度。
a1支路由1个线圈组成，记为线圈1；线圈1的首端和尾端引出，可得a1支路的首端a1和尾端x1；
a2支路由1个线圈组成，记为线圈2；线圈2的首端和尾端引出，可得a2支路的首端a2和尾端x2；
a3支路由1个线圈组成，记为线圈3；线圈3的首端和尾端引出，可得a3支路的首端a1和尾端x1；
a4支路由1个线圈组成，记为线圈4；线圈4的首端和尾端引出，可得a4支路的首端a4和尾端x4；
c1支路由1个线圈组成，记为线圈5；线圈5的首端和尾端引出，可得c1支路的首端c1和尾端z1；
c2支路由1个线圈组成，记为线圈6；线圈6的首端和尾端引出，可得c2支路的首端c2和尾端z2；
c3支路由1个线圈组成，记为线圈7；线圈7的首端和尾端引出，可得c3支路的首端c3和尾端z3；
c4支路由1个线圈组成，记为线圈8；线圈8的首端和尾端引出，可得c4支路的首端c4和尾端z4；
b1支路由1个线圈组成，记为线圈9；线圈9的首端和尾端引出，可得b1支路的首端b1和尾端y1；
b2支路由1个线圈组成，记为线圈10；线圈10的首端和尾端引出，可得b2支路的首端b2和尾端y2；
b3支路由1个线圈组成，记为线圈11；线圈11的首端和尾端引出，可得b3支路的首端b3和尾端y3；
b4支路由1个线圈组成，记为线圈12；线圈12的首端和尾端引出，可得b4支路的首端b4和尾端y4；
三相侧时间排列上A、B、C依次滞后120电角度。
在本发明中，三相侧空间排列上A、B、C依次滞后120机械角度。
在本发明中，A支路的首端记为A，尾端记为X；B支路的首端记为B，尾端记为Y；C支路的首端记为C，尾端记为Z；支路的一端X、Y、Z接成公共点O；支路的另一端对外引出，记为A、B、C，且互差120电角度。
A支路由4个线圈组成，其中1-2-3-4首尾串联，从线圈1的首端和线圈4的尾端引出，可得A支路的首端A和尾端X；
B支路由4个线圈组成，其中9-10-11-12首尾串联，从线圈9的首端和线圈12的尾端引出，可得B支路的首端B和尾端Y；
C支路由4个线圈组成，其中5-6-7-8首尾串联，从线圈5的首端和线圈8的尾端引出，可得C支路的首端C和尾端Z。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行说明。
实施例：
本发明实施例提供的直线式移相变压器应用于12/3相多重叠加逆变系统，如图6所示，多重叠加逆变系统由控制电路、逆变电路、移相变压器和负载组成。
4组三相逆变器的输出连接直线式移相变压器的原边12相绕组，在变压器中进行叠加形成24阶梯波，24阶梯波在气隙中形成行波磁场，副边绕组从中感应出三相交流电。
图7至图18为实施例的仿真分析图，为不同负载工况下，直线式移相变压器副边输出三相电压及A相FFT分析。分析可知：
空载时，逆变器输出为24阶梯波，谐波含量为8.33％；额定负载时，逆变系统输出的电压波形非常接近正弦波，输出电压谐波含量为1.82％，由图18可得负载越大谐波含量越少，在额定负载时达到最小。这是因为绕组材料为感性，当有电流流过时，绕组对高次谐波具有滤波作用，电流越大，滤波作用越强。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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